芯片設(shè)計(jì)之Modelsim仿真工具

Verilog代碼編寫完成后，可以Modelsim中進(jìn)行編譯。

與其他編程軟件相同，錯(cuò)誤（error）的定位不一定準(zhǔn)確，錯(cuò)誤的發(fā)生位置可能與編譯時(shí)提示的錯(cuò)誤位置不同；檢查error時(shí)，要從第一行開始檢查，可能位置靠前的錯(cuò)誤更正后，位置靠后的錯(cuò)誤同時(shí)被更正。

與其他編程軟件不同，警告（Warning）不能忽略，只有error/warning都消除才能進(jìn)行仿真。否則，仿真結(jié)果可能不正確，可能導(dǎo)致真實(shí)芯片出現(xiàn)問題，造成百萬元到千萬元人民幣的損失。

圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計(jì)與方法》

正確編譯完成后，可以進(jìn)行仿真。

Modelsim仿真將設(shè)計(jì)以樹狀表示，設(shè)計(jì)中的每一個(gè)實(shí)體，每一個(gè)module、每一個(gè)進(jìn)程（always塊、initial塊等）在Modelsim仿真中以對象的形式展現(xiàn)。

如下圖所示樹狀結(jié)構(gòu)，頂層是test_counter，即測試平臺。平臺下方是DUT（被測設(shè)計(jì)）和三個(gè)進(jìn)程。三個(gè)進(jìn)程是三個(gè)initial塊，分別用來產(chǎn)生時(shí)鐘信號、復(fù)位信號、其他動作。

圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計(jì)與方法》

上圖右下角為Object窗口，顯示當(dāng)前有哪些信號可以觀測，包括輸入信號、輸出信號、內(nèi)部信號等，如在test_counter層次，可以觀測時(shí)鐘（clk）、復(fù)位（reset）、計(jì)數(shù)器（count）的信號。

仿真過程有四類控制操作需要掌握。Restart、仿真時(shí)間指定、持續(xù)仿真、強(qiáng)制停止。

Restart主要運(yùn)用于修改源代碼或需要改變波形窗口顯示時(shí)間的情況，在做出相應(yīng)的修改后，運(yùn)用Restart控制仿真重新開始。

仿真時(shí)間指定、持續(xù)仿真、強(qiáng)制停止主要用于永遠(yuǎn)執(zhí)行的程序，永遠(yuǎn)執(zhí)行的程序會造成CPU資源的浪費(fèi)，也會使波形窗口顯示時(shí)間過長，波形窗口顯示時(shí)間過長可能會導(dǎo)致觀測人員無法觀測需要的波形。因此需要上述三類操作控制仿真時(shí)間。

圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計(jì)與方法》

仿真工具執(zhí)行仿真結(jié)束后，設(shè)計(jì)人員需要檢查電路運(yùn)行結(jié)果是否正確。最常見的方式是通過波形窗口觀測電路輸出信號的波形是否正確。主要觀測的信號包括輸入信號、內(nèi)部信號、輸出信號。

檢測輸入信號的目的是排除輸入不正確造成輸出不正確的情況，需觀測輸入信號包括時(shí)鐘信號、復(fù)位信號、數(shù)據(jù)信號。設(shè)計(jì)人員需觀測時(shí)鐘信號的周期或頻率、0時(shí)刻時(shí)鐘信號的值、時(shí)鐘信號高電平和低電平的值，需觀測復(fù)位信號的有效脈沖（個(gè)人理解：能夠?qū)е螺斎胄盘栕兓拿}沖）是否符合期望、并確定復(fù)位信號的時(shí)鐘沿（個(gè)人理解：脈沖發(fā)生的時(shí)間）不能與時(shí)鐘信號重疊，需確定數(shù)據(jù)信號的時(shí)鐘沿不能與時(shí)鐘信號重疊。

觀測電路的內(nèi)部信號包括狀態(tài)機(jī)（能夠控制電路內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移）、控制信號。

圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計(jì)與方法》

當(dāng)出現(xiàn)無法觀測波形情況時(shí)，可以通過波形窗口調(diào)整。波形窗口調(diào)整方式包括總線展開和收縮、改變數(shù)據(jù)顯示方式、波形放大和縮小、光標(biāo)操作、定位信號的事件、搜索特定信號值、增加驅(qū)動信號等。

圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計(jì)與方法》

有時(shí)通過波形不容易尋找出芯片設(shè)計(jì)的問題，需要更高層次的方式，如數(shù)據(jù)流窗口調(diào)試，追蹤信號來源。在數(shù)據(jù)流窗口中可以顯示出設(shè)計(jì)的層次圖，選擇某一信號，仿真工具就將顯示產(chǎn)生這一信號的數(shù)據(jù)流圖（Dataflow），數(shù)據(jù)流圖可以分析某一信號故障的根源。

圖片來源：學(xué)堂在線《IC設(shè)計(jì)與方法》

數(shù)據(jù)流圖、波形窗口、源代碼可進(jìn)行交叉定位，同時(shí)分析某一進(jìn)程（如always塊）的輸入（數(shù)據(jù)流圖觀測）和行為（源代碼觀測），確定故障（波形窗口觀測）源于其輸入還是源于其行為，可以快速找出電路故障。

審核編輯 ：李倩