Modelsim基础教程

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图5.23 编译图5.24 编译完成3.启动仿真工具当设计文件“traffic_lights_state_machine.v”和测试文件“testbench.v”编译通过之后，启动仿真工具。图5.27中，弹出时默认选中第一个“No design object visibility”，需要改选为第二个“Apply full visibility to all modules”选项，第二个选项可以使模块内部及模块连接间的信号都能被观察到，能够帮助我们更好地进行调试，而其他选项只能看到部分信号。

1.库文件的映射

Modelsim的基本使用需要3种文件，分别是软件配置文件、设计文件和库文件。软件配置文件就是5.3.1节中提到的modelsim.ini，里面有相应的配置信息，是在安装Modelsim时生成的，默认只读，但在关联时需要用到，前文已述；设计文件是工程师们的.v文件和testbench.v文件（测试文件），testbench.v是仿真设计.v文件用的测试代码，也是.v文件，在testbench.v中，不仅要对功能.v文件需要的时钟和复位等信号进行初始化，并且还要产生激励信号，作为我们设计文件的输入，以验证设计文件功能的正确性；库文件是存储已编译的设计单元的目录，包括两种库文件，一种是工作库，其库名默认为work，用于存放当前工程下所有已编译的设计文件，未编译的设计文件在work库中不存在，在建立工程之初就需要建work库，且每个工程只有一个work库，另一种是资源库，用于存放work库中已编译的设计文件所需要的资源，资源库不只一个，用户也可以自建资源库。如图5.18所示。

图5.18中最底部有3个选项：Library、Memory List和Project。Library一栏中列出该工程用到的库文件，第一个库文件就是work库，work库下面包含了一个设计文件（.v文件），work库后面的是资源库，图中资源库是在建立工程时默认建立的基本资源库，对于一些用户自己需要的特殊资源库，可以通过新建资源库将其加载。Memory List中会列出用户在仿真时建立的所有memory，通过命令实现memory的建立，在5.3.3节中“文件的写入和导出”部分会有memory的举例，这里不再赘述。Project一栏中会列出所有的.v文件，包括设计文件和测试文件。

2.设计的编译

新建工程：在图5.16工具栏中选择“File”，在“File”的下拉列表中选择“New”，然后选择“Project”，弹出如图5.19所示的对话框。

图5.18 Library示例

图5.19 新建工程

在图5.19中，第一行“Project Name”栏输入新建工程的名称，第二行“Pro-ject Location”默认指定到Modelsim安装目录下的examples文件夹，用户可以根据自己的需求重新指定新的路径，第三行默认的“Default Library Name”是“work”，即在前文“库文件的映射”中提到的work库，在这里用户可以更名，“Copy Settings From”中设定配置文件，即安装目录下的modelsim.ini文件，并选择“Copy Library Mappings”，单击“OK”按钮，会弹出如图5.20所示的对话框。

在图5.20中，加载文件，选择“Create New File”，新建.v文件，在这个文件中开始撰写代码，并保存在自己设定的路径下。在这里，以前文中交通灯状态机为例，说明工程的建立与编译。过程中，除了建立功能模块的.v文件以外，还需要建立测试.v文件，即testbench.v文件，用来产生测试激励，向功能模块提供输入信号，用户通过观测输出信号来验证模块功能的正确性。testbench.v是没有输入输出端口列表的module，在测试文件testbench.v中对设计模块进行例化调用，并初始化相关信号，然后用always等语句产生测试激励，测试文件的结构如图5.21所示。

图5.20 添加文件

图5.21 testbench.v结构图

交通灯状态机的testbench.v如例5.6所示，交通灯状态机的状态图和代码在5.2.1节中“状态机”部分。

例5.6 交通灯状态机的testbench.v

有了设计文件和测试文件，就可以开始仿真，工程界面如图5.22所示。

图5.22 工程界面

在图5.22中，选中左侧中下部的“Project”，在该栏中，有两个文件：功能模块“traffic_lights_state_machine.v”文件和“testbench.v”测试文件，并且两个文件上都打了问号，这是由于还没有编译，编译的过程会检查语法错误，可以根据报出的error进行针对性的修改，选中其中一个文件，右键单击，弹出图5.23所示选项，单击Compile→Compile Selected，即编译选项，如图5.23所示。

“Compile Selected”表示编译当前选中的文件“traffic_lights_state_machine.v”，“Compile All”表示编译当前工作框“Project”里的所有.v文件，编译后如图5.24所示。

图5.24中，在“traffic_lights_state_machine.v”上出现了对勾，表示编译成功。用相同的方法将所有用到的文件编译成功后，可以启动仿真工具，查看仿真波形。

图5.23 编译

图5.24 编译完成

3.启动仿真工具

当设计文件“traffic_lights_state_machine.v”和测试文件“testbench.v”编译通过之后，启动仿真工具。单击工具栏中仿真按钮，如图5.25所示。

图5.25 启动仿真按钮

在图5.25中，所圈为启动仿真按钮，第一个是编译当前选中.v文件，第二个是编译所有的.v文件，第四个是停止仿真按钮。单击仿真按钮，会弹出图5.26所示的对话框。

在图5.26中，先单击右下角“Optimization Options…”按钮，弹出图5.27所示的对话框。

图5.27中，弹出时默认选中第一个“No design object visibility”，需要改选为第二个“Apply full visibility to all modules（full debug mode）”选项，第二个选项可以使模块内部及模块连接间的信号都能被观察到，能够帮助我们更好地进行调试，而其他选项只能看到部分信号。配置完成后，单击“OK”按钮，会回到图5.26所示对话框，此时要选中“work”库下面所列的当前testbench.v文件，在图5.26中即“traffic_lights_state_mahine_tb”，单击“OK”按钮，启动仿真。

启动仿真后，在工程界面左边“Project”栏中会增加“sim”一列，如图5.28所示。

图5.28中，“sim”栏会列出当前的testbench.v文件和设计文件，选中相应的文件，在旁边“Objects”栏中会显示出该文件的所有信号，例如图5.28中，选中的是testbench.v文件，“Objects”一栏中列出了testbench.v文件中的所有信号。如果界面中没有“Objects”一栏，可以在工具栏中点中“View”，然后勾选“Ob-jects”将其调出。

图5.26 启动仿真配置示图

图5.27 优化选项

选中设计文件“DUT_traffic_lights_state_machine”，由于在testbench.v中例化设计文件时，在其名字前增加“DUT_”前缀，所以“DUT_traffic_lights_state_ma-chine”与“traffic_lights_state_machine”是同一个模块。右键单击选择Add to→Wave→All items in resgion，将设计文件中的所有信号添加到观察波形中，在原来.v文件编辑窗口会增加“Wave”窗口，如图5.29所示。

图5.28 启动仿真后示图

图5.29 Wave窗口

在图5.29中的Wave窗口，将要观测的信号添加进来。单击开始仿真按钮，仿真开始，如图5.30所示。

图5.30 仿真启动选项

在图5.30中，最左侧的按钮表示重新开始“Restart”，在调试中会用到；白框中填写仿真时间，虽然单位是100ms，但并不是生活中用到的时间衡量方式，它只是一个仿真时间，通常500ms就能跑一个通宵，可以说是非常大的仿真了；紧跟白框后面的第一个按钮是仿真开始按钮“Run”，到100ms时就会停止，该按钮与白框里的时间是相关联的，白框里设定的仿真时间就是“Run”的时间；白框后第二按钮是“ContinueRun”按钮，仿真过程中被中止，单击该按钮继续，前面跑出来的波形会保存，然后继续跑；白框后第三个按钮是“Run-All”按钮，单击该按钮后，仿真会一直进行，直到用户单击最后一个按钮“Break”来中止。当然，跑的时间越长，波形中能看到的数据越多，波形文件就越大，有时候波形文件在工程中就能占好几个G，甚至几十个G，不需要时可以将波形文件删除，它们就是工程目录下后缀名为.wlf的文件。

4.调试

调试主要是通过波形查看信号的各个状态，去验证代码功能的正确与否。调试的手段主要是观测波形、查看输出文件等方式。下面是观测波形会用到的基本工具，如图5.31所示。

图5.31中所列是查看波形常用工具。其中第一个图标是以图形界面中轴线为中心放大图形，第二个图标是缩小图形，第三个图标是将所有图形缩放到当前屏幕（图形很密集，但能看见当前仿真时间段内的所有波形），第四个图标是以所选轴线为中心放大波形，这个工具能够将用户想看的那部分波形进行放大，相对于第一个来说选择性更强，目标明确有针对性。

当波形文件较大，波形较密集时，需要用一些便捷工具帮助用户迅速定位想查看的点，比如图5.32中这组工具。

图5.31 观测波形的基本工具按钮

图5.32 便捷工具按钮

在图5.32中，第一个图标用来增加一个cursor（图形标），方便用两个cursor测距（测量时间差），第二个图标用来删去当前选中的cursor，第三个是寻找前一个变化的值，在图形界面中选中一个信号，以该信号为准，找其前面离图形标最近的一个变化值，第四个与第三个功能类似，只是向后寻找，寻找方向不同，第5个和第6个图标用以找所选信号的下降沿，前者向前找，后者向后找，第7个和第8个图标用来找所选信号的上升沿，前者向前找，后者向后找。

对于本文中交通灯状态机这个例子，其仿真波形如图5.33所示。

图5.33的波形图中，竖着的黄线即前文所述图形标，用户移动该标志来查看所需查看的波形，绿灯、黄灯、红灯依次亮起（图5.33中“green_light”、“yellow_light”和“red_light”信号依次被拉高），并维持各自所要求的时间，状态机“CurrentState”指示当前状态，与信号灯输出同步，按照设计文件依次跳转，工作正常，完成设计功能。