FPGA核心知識(shí)詳解（3）：那些讓FPGA初學(xué)者糾結(jié)的仿真

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)核心提示：對(duì)于FPGA初學(xué)者而言，如何正確了解并理解FPGA的仿真是關(guān)鍵。應(yīng)廣大FPGA初學(xué)者和愛好者要求，電子發(fā)燒友網(wǎng)編輯根據(jù)多名在FPGA領(lǐng)域有過多年工作經(jīng)驗(yàn) 的前輩介紹，特此為大家整理并分享以下關(guān)于FPGA各種仿真的簡(jiǎn)潔介紹。若大家有任何需要補(bǔ)充的或本文有任何不當(dāng)之處，歡迎在評(píng)論中加以說明。同時(shí)也可加入電子發(fā)燒友網(wǎng)FPGA技術(shù)交流群（QQ：263281510）跟大家一起探討，更歡迎大家加入電子發(fā)燒友網(wǎng)論壇參與互動(dòng)。

　　初學(xué)者學(xué)習(xí)FPGA，必定會(huì)被它的各種仿真弄的暈頭轉(zhuǎn)向。比如，前仿真、后仿真、功能仿真、時(shí)序仿真、行為級(jí)仿真、RTL級(jí)仿真、綜合后仿真、門級(jí)仿真、布局布線后仿真等。

　　Quartus和Modelsim軟件的仿真形式

　　Quartus II有兩種仿真形式：1、功能仿真；2、時(shí)序仿真。

　　Quartus II調(diào)用Modelsim的兩種仿真形式為：1、RTL級(jí)仿真；2、Gate-level仿真。

　　以下內(nèi)容均經(jīng)過資料查證，詳細(xì)如下：

　　理解方法一

　　當(dāng)用quartus進(jìn)行仿真時(shí)，分為功能仿真（al）和時(shí)序仿真（Timing）；

　　當(dāng)用Modelsim-Altera時(shí)，分為功能仿真（RTL）、綜合后仿真（post-synthesis）和布局布線仿真（Gate-level）。其中，功能仿真又稱為前仿真，布局布線仿真又稱為后仿真。

　　注：此處的功能仿真（RTL）與1中的功能仿真（al）是不一樣的，前者是HDL級(jí)仿真，后者是門級(jí)網(wǎng)表的功能仿真。

　　（1）當(dāng)在quartus中調(diào)用Modelsim-Altera進(jìn)行RTL仿真時(shí)（前提是在第三方仿真工具中選擇Modelsim-Altera），步驟如下：

　　　　a） 編寫源文件和測(cè)試文件；

　　　　b） Assignment-》setting-》simulation-》不選中run gate leve simulation.。..。，選中nativelink-》添加測(cè)試文件，填寫文件名；

　　　　c） start analysis&elabration；

　　　　d） Tools-》start RTL simulation；

　?。?）綜合后仿真一般不做。

　?。?）當(dāng)在quartus中調(diào)用Modelsim-Altera進(jìn)行Gate-level仿真時(shí)（前提是在第三方仿真工具中選擇Modelsim-Altera），步驟如下：

　　　　a） 編寫源文件和測(cè)試文件；

　　　　b）Assignment-》setting-》simulation-》選中run gate leve simulation.。..。，選中nativelink-》添加測(cè)試文件，填寫文件名；

　　　　c）全編譯；

　　評(píng)價(jià)：對(duì)于Assignment-》setting-》simulation-》“run gate leve simulation automatically after comlilation”選不選中根本沒必要說明，完全可以不用選中，需要在設(shè)置處把測(cè)試文件testbench添加就可以了（不添加的話到時(shí)候 quartus調(diào)用出modelsim軟件后需要手動(dòng)添加編譯，下面補(bǔ)充了）。如果你想RTL級(jí)仿真，那么對(duì)于quartus ii只需要進(jìn)行分析綜合就可以，然后點(diǎn)擊Tools-》Run EDA Simulation tool-》Run RTL Simulation即可，軟件會(huì)自動(dòng)將源文件以及測(cè)試文件在modelsim軟件里編譯，仿真出波形。如果你想Gate-level級(jí)仿真，那么對(duì)于 quartus ii需要對(duì)工程進(jìn)行全編譯，然后點(diǎn)擊Tools-》Run EDA Simulation tool-》Run Gate-level Simulation即可，軟件會(huì)自動(dòng)將網(wǎng)表文件.vo（verilog輸出文件）或.vho（VHDL輸出文件）以及測(cè)試文件在modelsim軟件里編譯，并將標(biāo)準(zhǔn)延遲文件SDF（.sdo）添加到modelsim里面，仿真出波形。

　　補(bǔ)充：順便說一句，如果沒有在Assignment-》setting-》simulation把測(cè)試文件testbench設(shè)置好的話，不論是在RTL還是Gate-level級(jí)仿真，調(diào)用出modelsim后Quartus只把.vo或.vho文件送到modelsim里編譯了，然后都需要手動(dòng)把testbench編譯進(jìn)去的，并且將在Run Gate-level Simulation仿真的時(shí)候，.sdo文件也需要手動(dòng)添加，相對(duì)來說比較麻煩。

　　理解方法二

　　Modelsim-Altera仿真一般分為功能仿真，前仿真（綜合后仿真）與后仿真（時(shí)序仿真或布局布線后仿真）。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)需要，編寫完代碼（Verilog hdl，Vhdl，system Verilog ）后，首先進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證所寫代碼是否能完成設(shè)計(jì)功能；前仿真又稱為綜合后仿真，即在QuartusII完成綜合后，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的功能；后仿真又稱為時(shí)序仿真或布局布線后仿真，是加入延時(shí)后的仿真。對(duì)于編譯時(shí)間較短的小規(guī)模設(shè)計(jì)，一般只進(jìn)行功能仿真與后仿真。

　　理解方法三

　　modelsim 是專門進(jìn)行仿真的軟件，可以分別進(jìn)行前仿真和后仿真。前仿真也稱為功能仿真，主旨在于驗(yàn)證電路的功能是否符合設(shè)計(jì)要求，其特點(diǎn)是不考慮電路門延遲與線延遲，主要是驗(yàn)證電路與理想情況是否一致?？删C合FPGA代碼是用RTL級(jí)代碼語言描述的，其輸入為RTL級(jí)代碼與testbench。后仿真也稱為時(shí)序仿真或者布局布線后仿真，是指電路已經(jīng)映射到特定的工藝環(huán)境以后，綜合考慮電路的路徑延遲與門延遲的影響，驗(yàn)證電路能否在一定時(shí)序條件下滿足設(shè)計(jì)構(gòu)想的過程，是否存在時(shí)序違規(guī)。其輸入文件為從布局布線結(jié)果抽象出來的門級(jí)網(wǎng)表、testbench和擴(kuò)展為sdo或sdf的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延文件。sdo、sdf的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延文件不僅包含門延遲，還包括實(shí)際布線延遲，能較好地反映芯片的實(shí)際工作情況。一般來說后仿真是必選的，檢查設(shè)計(jì)時(shí)序與實(shí)際的FPGA運(yùn)行情況是否一致，確保設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。

　　理解方法四

　　前仿真和后仿真的區(qū)別：前仿真就是指綜合前的仿真，也就是行為級(jí)的仿真，如你在Modelsim直接寫代碼的仿真。后仿真指的是綜合后的仿真，也就是功能仿真。比如你在Modelsim中用VHDL寫了個(gè)計(jì)數(shù)器，行為級(jí)得仿真通過了，你把它加到quartus中或者其他的綜合工具進(jìn)行綜合，綜合完后生成功能網(wǎng)表，它把行為語言變成寄存器傳送級(jí)語言，這時(shí)候你把它加到Modelsim中仿真叫后仿真，后仿真成功后，你還要在quartus中進(jìn)行映射，布局布線，完后進(jìn)行時(shí)序分析，生成時(shí)序網(wǎng)表，描述器件里門或者布線的延時(shí)，最后把延時(shí)網(wǎng)表和功能網(wǎng)表一起加到Modelsim中仿真叫門級(jí)仿真。

　　門級(jí)仿真和時(shí)序仿真的區(qū)別：門級(jí)仿真是quartus生成的網(wǎng)表文件.vo。門級(jí)則不考慮互聯(lián)延遲，二只考慮了器件的延遲。時(shí)序仿真是選擇具體器件并布局布線后進(jìn)行的包含定時(shí)關(guān)系的仿真，主要驗(yàn)證是否滿足時(shí)間約束關(guān)系、延時(shí)、最大工作頻率和消耗的資源等。時(shí)序仿真是需添加時(shí)延文件.sdo。

　　理解方法五

　　從廣義上講，仿真驗(yàn)證包括功能與時(shí)序仿真和電路驗(yàn)證。仿真是指使用設(shè)計(jì)軟件包對(duì)已實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行完整測(cè)試，模擬實(shí)際物理環(huán)境下的工作情況。從仿真的層次上劃分，主要分為：

　　前仿真，也稱為功能仿真或行為級(jí)仿真。是指僅對(duì)邏輯功能進(jìn)行測(cè)試模擬，以了解其實(shí)現(xiàn)的功能是否滿足原設(shè)計(jì)的要求，仿真過程沒有加入時(shí)序信息，不涉及具體器件的硬件特性，如延時(shí)特性；

　　后仿真，也稱為布局布線后仿真或時(shí)序仿真。是指提取有關(guān)的器件延遲、連線延時(shí)等時(shí)序參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的仿真，它是非常接近真實(shí)器件運(yùn)行情況的仿真。 不同的工具和廠商還有一些其他的仿真過程，但大致屬于這兩類。

　　針對(duì)FPGA設(shè)計(jì)的流程，有3個(gè)階段可以進(jìn)行仿真：

　　第一階段是寄存器傳輸級(jí)（RTL）仿真，此級(jí)仿真是對(duì)設(shè)計(jì)的語法和基本功能進(jìn)行驗(yàn)證 （不含時(shí)序信息）；

　　第二階段是針對(duì)特定的FPGA廠家技術(shù)的仿真，此級(jí)仿真是在綜合后、實(shí)現(xiàn)前而進(jìn)行的功能級(jí)仿真，功能級(jí)仿真一般驗(yàn)證綜合后是否可以得到設(shè)計(jì)者所需要的正確功能；

　　第三階段是門級(jí)仿真，此級(jí)仿真是針對(duì)實(shí)現(xiàn)后的門級(jí)時(shí)序進(jìn)行仿真，門級(jí)仿真體現(xiàn)了由于布局布線而產(chǎn)生的實(shí)際延時(shí)。

　　理解方法六

　　前仿： 針對(duì)RTL代碼的功能和性能仿真和驗(yàn)證。

　　后仿： 1. pre-layout，這種是綜合后仿真，主要是仿綜合后的邏輯功能是否正確，綜合時(shí)序約束是不是都正確。

　　?????????? 2. post-layout，這種是布局布線后仿真，因?yàn)榧尤肓司€延遲信息，所以這一步的仿真和真正芯片的行為最接近，也是用于仿真芯片時(shí)序約束是否添加正確，布局布線后是否還滿足時(shí)序。

　　理解方法七

　　功能仿真對(duì)設(shè)計(jì)輸入的功能進(jìn)行仿真，考慮的是理想化的情況，沒有門延遲，沒有布線延遲。

　　綜合的過程，將設(shè)計(jì)輸入編譯成由與、或、非門，RAM，觸發(fā)器等基本邏輯單元組成的邏輯連接，即網(wǎng)表（Netlist），并輸出edf、edn等標(biāo)準(zhǔn)格式的網(wǎng)表文件。綜合后仿真把綜合生成的標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)文件反標(biāo)注到綜合仿真模型中去，可估計(jì)門延時(shí)對(duì)電路帶來的影響。

　　實(shí)現(xiàn)與布線，根據(jù)所選芯片的型號(hào)，將綜合輸出的邏輯網(wǎng)表適配到具體的FPGA/CPLD上。實(shí)現(xiàn)過程中最主要的過程是布局布線（Place and Route）：布局將邏輯單元合理地適配到FPGA內(nèi)部的固有硬件結(jié)構(gòu)上；布線則根據(jù)布局的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用FPGA內(nèi)部的各種連線資源，合理正確地連接各個(gè)元件。時(shí)序仿真將布局布線的延時(shí)信息反標(biāo)注到設(shè)計(jì)網(wǎng)表中進(jìn)行仿真。此時(shí)的仿真延時(shí)文件信息最全，包含門延時(shí)和布線延時(shí)，所以布線后仿真最準(zhǔn)確，能較好地反映芯片的實(shí)際工作情況。

　　以下是個(gè)人拙見：從以上分析，我們可以給文章剛開是提到的那九種仿真名詞中的一些畫等號(hào)了。

　　前仿真=功能仿真=行為級(jí)仿真=RTL級(jí)仿真

　　而后仿真又可以分為兩步，第一步是布線前 仿真，也就是綜合后仿真其目的主要是驗(yàn)證邏輯功能是否正確，綜合時(shí)序是不是正確；第二步是布線后 仿真，也就是后仿真=時(shí)序仿真=布局布線后仿真=門級(jí)仿真，這一級(jí)的仿真最接近于芯片，里面加入了線延遲，可見理解方法七的解釋。