Краткий курс HDL. Часть 8. Моделирование в ModelSim SE

Все статьи цикла

Как добраться до ModelSim?

Практически все современные программные инструменты, которые поставляют фирмы — производители микросхем, содержат в своем составе средства для симуляции проектов. То же можно сказать и о компаниях разработчиках программного обеспечения. Их программные инструменты также содержат в своем составе средства для симуляции проектов. Часть этих программных продуктов имеет собственные встроенные симуляторы, другие программы — нет. Но практически все эти программы имеют возможность подключать внешние симуляторы. Наиболее часто для отладки проектов используют симулятор ModelSim, который стал фактически промышленным стандартом. Более полную информацию о программе можно получить на сайте фирмы Mentor Graphic [1] или на сайте фирмы «Мегратек».

Как добраться до ModelSim в Quartus?

Для того чтобы получить информацию по применению программы ModelSim совместно с программой Quartus, обратитесь к [2].

Как добраться до ModelSim в ISE?

Для того чтобы получить информацию по применению программы ModelSim совместно с программой ISE, обратитесь к [3].

Как добраться до ModelSim в Actel Libero IDE?

Перед тем как непосредственно описывать работу с симулятором ModelSim, необходимо сделать небольшое пояснение: какие действия надо выполнить в программе Actel Libero IDE для начала симуляции проекта. Для запуска симулятора ModelSim предварительно должен быть создан файл тестбенча. Его можно сделать в текстовом редакторе, добавив в каталог Stimulus в окне списка файлов проекта или нажав кнопку WaveFormer в окне на закладке Project Flow (рис. 1).

Рис. 1. Создание файла тестбенча

Файл, созданный в окне WaveFormer, будет автоматически добавлен в список файлов для симуляции.

Кнопка Stimulus Editor позволяет добавлять и удалять файлы для тестбенча (рис. 2).

Рис. 2. Кнопка Stimulus Editor

Для добавления нового файла в список файлов для тестбенча нажмите кнопку Stimulus Editor и в открывшемся окне добавьте файл.

Рис. 3. Окно Organize Stimulus

Для изменения списка файлов тестбенча нажмите мышкой на стрелку в левом верхнем углу кнопки Stimulus Editor и в раскрывшемся списке выберите пункт Organize Stimulus. В открывшемся окне (рис. 3) добавьте или удалите файлы для симуляции. Для запуска симуляции нажмите кнопку ModelSim (рис. 4).

Рис. 4. Для запуска симуляции необходимо нажать кнопку ModelSim

Программа Actel Libero IDE позволяет симулировать исходный проект (проекты) после синтеза, размещения и трассировки кристалла. Для выбора нажмите на стрелку в левом верхнем углу на кнопке ModelSim и в раскрывшемся списке выберите режим симуляции (рис. 5).

Рис. 5. Выбор режима симуляции

Создание Verilog модели цифровой системы

В этом разделе мы начнем проверять модели в симуляторе. В примере 1 показан файл модуля, описывающий таймер. Таймер имеет разрядность, задаваемую параметром Width, и по умолчанию она равна 4. На таймер поступают обычные сигналы: Clk— сигнал системной синхрочастоты и Reset — сигнал асинхронного сброса. Таймер загружается данными, поступающими по шине Data при наличии разрешающего сигнала Load. Выходные сигналы — Out— это шина счетчика и сигнал Time, показывающий окончание счета и, следовательно, то, что выдержка времени завершена.

/////////////////////////////////////////////////////
// Name File : Timer4.v //
// Autor : Iosif Karshenboim //
// Company : //
// Description : Timer, Width=4 bits //
// Start design : 16.10.2003 //
// Last revision : 16.10.2003 //
/////////////////////////////////////////////////////
`timescale 1ns / 10 ps
module Timer4
// These parameters can be overridden
#( parameter Width=4)
   ( Out,
   Time,
   Load,
   Data,
   Clk,
   Reset);

output [Width-1:0]  Out;
output              Time;
input [Width-1:0]   Data;
input               Load;
input               Clk;
input               Reset;
reg [Width-1:0]     Out;
Reg                 Time;
//-----------------------------------
   always @(posedge Clk or posedge Reset)
      if (Reset)
         Out = 0;
      else
      if (Load & Time)
         Out = Data;
      else
      if (!Time)
         Out = Out-1; // decrement(count)
      else
         Out = Out; // hold
//-----------------------------------
   always @(posedge Clk or posedge Reset)
      if (Reset)
         Time =1'b1;
      else
      if (Out[Width-1:1]==0)// time OK
         Time =1'b1;
      else
         Time = 1'b0;
//-----------------------------------

endmodule

  Пример 1. Файл модуля, содержащий описание таймера

В примере 2 приведен файл простейшего тестбенча для проверки модуля Timer4. Однако проверка данного модуля — это только первый и довольно простой шаг, поэтому мы сразу перейдем к следующему файлу. В примере 3 приведен файл STATMACH.v, в который установлен Timer4. Кроме того, в этом же модуле дано описание статического автомата. Задержка, вырабатываемая таймером, — фиксированная и задается в строке:

reg [4:0] tmr_delay = 5;

Автомат выполняет переход только по получении сигнала от таймера:

if(tmr_ready)
state = next_state;

Пример 3 показывает, как можно выполнить программируемую задержку для статических автоматов. Обратите внимание на то, что в файле STATMACH.v нет строки:

`timescale 1ns / 10 ps

Отсутствие данной директивы приведет в дальнейшем к тому, что симулятор выдаст предупреждение об этом.

`timescale 1ns / 10 ps
module test_timer;
parameter TWidth=4;

reg Clk, Reset, Load;
reg [TWidth-1:0] Data;
wire [TWidth-1:0] Out;

Timer4 #(.Width (TWidth))
   dut (Out,
      Time,
      Load,
      Data,
      Clk,
      Reset);

initial // Clock generator
   begin
      Clk = 0;
      #10 forever #10 Clk = !Clk;
   end

initial // Test stimulus
   begin
      Reset = 0;
      #10 Reset = 1;
      #40 Reset = 0;

      Data=4'b0011;
      Load = 0;
      #90 Load = 1;
      #200 Load = 0;

      #50000 $stop;
   end

initial
 
      $monitor($stime, Reset,Data, Clk,Time,Load, Out);

endmodule

Пример 2. Файл простейшего тестбенча для проверки модуля Timer4

/////////////////////////////////////////////////////////////////
// Name File : STATMACH.v //
// Autor : Iosif Karshenboim //
// Company : //
// Description : Timer, Width=4 bits and FSM //
// Start design : 16.10.2003 //
// Last revision : 16.10.2003 //
/////////////////////////////////////////////////////////////////

module statmach
         (clk,
         reset,
         in,
         out);
      input clk;
      input [3:0] in;
      input reset;
      output [4:0] out;

      reg [4:0] out;
      reg [3:0] state, next_state;
      wire tmr_ready;
      reg tmr_load = 1;
      reg [4:0] tmr_delay = 5;

      parameter s0 = 0, s1 = 1, s2 = 2, s3 = 3;

// FSM register
   always @(posedge clk or posedge reset)
   begin: statreg
      if (reset)
         state = s0;
      еlse
      if (tmr_ready)
         state = next_state;
   end

// FSM conbinational block
   always @(state)
   begin: FSM
      case (state)
         s0: next_state = s1;
         s1: next_state = s2;
         s2: next_state = s3;
         s3: next_state = s0;
      endcase
   end

always @(state)
   begin: outputs
      case (state)
         s0: out = 5'b00011;
         s1: out = 5'b00110;
         s2: out = 5'b01100;
         s3: out = 5'b11000;
         default: out = 5'b11111;
      endcase
   end // outdata

Timer4 #(5) TIMER // These parameters can be overridden
   (.Out (),
   .Time (tmr_ready),
   .Load (tmr_load),
   .Data (tmr_delay),
   .Clk (clk),
   .Reset (reset));

endmodule

Пример 3. Файл STATMACH.v, в который установлен Timer4, и в этом же модуле дано описание статического автомата

Теперь переходим к файлу тестбенча для проверки модуля STATMACH.v.

В примере 4 приведен файл tstatmach.v, в который установлен модуль STATMACH.v. В примере 5 приведен файл паттернов для тестбенча по проверке модуля STATMACH.v. Основная цель данного примера — показать то, как производится чтение данных из файла паттерна и как эти данные можно использовать при симуляции. В файле паттернов в каждой строке считываются различные по формату данные.

Работа с файлами и примеры отладки

Итак, в примере 4 приведен файл tstatmach. v. А в примере 5 приведен файл паттернов для тестбенча по проверке модуля tstatmach. v. В данном примере тестбенча мы будем производить чтение данных из файла паттерна, а полученные данные — использовать при симуляции. В файле паттернов в каждой строке считываются различные по формату данные — это time, bin, dec и hex. В приведенном примере из этих данных в тестбенче будут использоваться только первые две переменные — time и bin, а остальные переменные — dec и hex — будут считываться, но не будут использоваться в тестбенче.

Тестбенч состоит из трех фрагментов, начинающихся с initial.

Первый фрагмент формирует синхрочастоту, подаваемую на DUT. Это можно сделать при помощи выражения:

#10 forever #10 clk = !clk;

Второй фрагмент формирует сигнал «сброс», подаваемый на DUT. Это делается при помощи трех выражений:

reset = 0;   #10 reset = 1;
#30 reset = 0;

Третий фрагмент формирует все остальные сигналы, подаваемые на DUT. Это делается в блоке file_block.

Файл, определенный как INPUT_FILE_ NAME “vectors.pat”, открывается только для чтения. Если файл открылся успешно, то в цикле while (c != `EOF) производится считывание строк файла паттерна до тех пор, пока не будет обнаружен конец файла. При считывании строк паттерна выполняется проверка на то, что данная строка не заремаркирована. Сначала производится считывание первого символа строки паттерна. Это происходит в строке файла if (c == “/”), и, если это условие выполняется, то считывается вся строка паттерна: r = $fgets(line, file), но эти данные не используются. Если же первый считанный символ не равен “/”, то он возвращается в строку. Далее из строки паттерна считывается значение времени. Проверяется, не обогнало ли текущее время моделирования время, читаемое из паттерна. Затем программа выполняет задержку, так, чтобы текущее время моделирования стало равным тому значению времени, которое мы прочли из паттерна. И после этого считываются все остальные данные из паттерна. Бинарные данные, считываемые из паттерна, имеют разрядность 4 бита. Но из этих 4 битов в тестбенче используется только младший бит. И его значение назначается регистру:

in = bin[0];

По окончании работы с паттерном файл закрывается. При изменении значений переменных командой $display на монитор выводятся значения этих переменных.

/////////////////////////////////////////////////////
// Name File : tstatmach.v //
// Autor : Iosif Karshenboim //
// Company : //
// Description : Testbench //
// Start design : 16.10.2003 //
// Last revision : 16.10.2003 //
/////////////////////////////////////////////////////

`timescale 1ns / 10 ps
`define EOF 32'hFFFF_FFFF
`define NULL 0
`define MAX_LINE_LENGTH 1000
`define INPUT_FILE_NAME “vectors.pat”

module test_statmach;

reg clk, reset, in;
reg [31:0] tmp_value;
wire out;

statmach   
   dut (clk, in, reset, out); 

initial // Clock generator   
   begin     
      clk = 0;
#10 forever #10 clk = !clk;   
   end 

initial // Test stimulus   
   begin     
      reset = 0;
      #10 reset = 1;
      #30 reset = 0;   
   end 

integer file;
reg [31:0] c, r;
reg [3:0] bin;
reg [31:0] dec, hex;
real real_time;
reg [8*`MAX_LINE_LENGTH:0] line; /* Line of text read from file */

initial     
      begin : file_block   
   /*timeformat_task ::= $timeformat [(units_number,
                                     precision_number,
                                     suffix_string,
                                     minimum_field_width) ] ; */   
   $timeformat(-9, 3, “ns”, 6);
   file = $fopen(`INPUT_FILE_NAME, “r”);
      if ((file != `EOF) & (file != 0))       
         $display(“The input file was opened successfully.”);     
      else       
         begin         
            $display(“ERROR: unable to open the input file.”);
            $finish;       
         end 

// if (file == `NULL) // If error opening file
// disable file_block; // Just quit       

        c = $fgetc(file);     

      $display(“time bin decimal hex”);

      while (c != `EOF)       
         begin         
            /* Check the first character for comment */
            if (c == “/”)           
               r = $fgets(line, file);         
            else           
         begin
         // Push the character back to the file then read the next time
         r = $ungetc(c, file);
         r = $fscanf(file, “%f:n”, real_time);

         // Wait until the absolute time in the file, then read stimulus
         if ($realtime > real_time)             
            $display(“Error — absolute time in file is out of order— %t”, real_time);             
            else               
               #(real_time — $realtime)
               r = $fscanf(file,” %b %d %hn”,bin,dec,hex);
               //-----------------------------------------------
               in = bin[0];
               //-----------------------------------------------           
            end // if c else
            c = $fgetc(file);       

         end // while not EOF     
      $fclose(file); 
$stop;

end // initial

//=============================================
// Display changes to the signals
//=============================================
always @(bin or dec or hex)                     
      $display(“%t %b %d %h”, $realtime, bin, dec, hex); 

endmodule // read_pattern

Пример 4. Тестбенч — модуль test_statmach, файл tstatmach.v

// This is a pattern file
// time bin dec hex
0 : 0001 1 1
10 : 0001 1 1
20.0 : 0010 20 020
50.02 : 0111 5 FFF
62.345 : 0100 4 DEADBEEF
75.789 : 0XX1 2 ZzZzZzZz
200.0 : 0010 20 020
400.0 : 1010 25 F2A

Пример 5. Файл паттернов для тестбенча tstatmach.v

Моделирование тестбенча

Для моделирования будем использовать программу ModelSim, ставшую за последнее время промышленным стандартом. Первым шагом будет создание проекта. После запуска программы ModelSim SE открывается основное окно программы (рис. 6).

Рис. 6. Основное окно системы моделирования ModelSim SE

Для того чтобы начать моделирование, необходимо создать новый проект. Для этого в главном меню выбираем File→New→Project. Появится окно Create Project.

Для создания проекта выполним следующие шаги: нам необходимо указать имя проекта и путь к файлам проекта, название рабочей библиотеки:

1. В окне Project Name укажем имя проекта (My_testbench).
2. В окне Project Location укажем рабочую директорию (E:/My_testbench).
3. В окне Default Library Name оставим имя work.
4. Нажмем OK (рис. 7).

Рис. 7. Задание имени проекта, пути к файлам проекта и название рабочей библиотеки

Если пользователь программы захочет повторно создать проект с тем же именем, в той же рабочей директории, то программа выдаст предупреждение о том, что проект с этим именем уже существует. Если мы не хотим менять имя проекта, и старый проект нам не нужен, то в таком случае в этом окне необходимо указать «Да» (рис. 8).

Рис. 8. Подтверждение имени проекта

Если же файлов для проекта еще нет, то в открывшемся окне выбираем пункт Create New File. Откроется окно для ввода текстовых файлов. И далее создаем файлы проекта один за другим. Если файлы для данного проекта уже имеются, то в открывшемся окне Add Items to the Project выбираем Add Existing File (рис. 9).

Рис. 9. Добавление файлов в проект в окне Add Items to the Project

После выбора Add Exiting File появится окно Add file to Project (рис. 10).

Рис. 10. Окно для выбора добавляемого в проект файла

Добавляем файлы в проект либо по очереди, либо это можно сделать одновременно, если отметить сразу несколько файлов. В окне Workspace поочередно появляются имена добавляемых файлов проекта (рис. 11). Файлы будут расположены в том порядке, в котором они были добавлены в проект. Но для работы компилятора необходимо указать иерархию файлов. Это можно сделать либо вручную, либо автоматически.

Рис. 11. Файлы в проект добавлены

Чтобы установить порядок компиляции файлов вручную, необходимо учесть, что компиляция осуществляется согласно иерархии описания проекта, и сначала на компиляцию должны поступать следующие файлы:

• описания модулей нижнего уровня (в примере это описание Timer4.V);
• затем описания модулей верхнего уровня, содержащие установленные модули, которые описаны в модулях нижнего уровня, и т. д. (в примере это описание STATMASH.v);
• последний файл — это тестбенч.

Выберем второй путь. Для этого в главном меню надо выбрать Compile→Compile Order, далее появится окно Compile Order.

Итак, выбираем Auto Generate и после этого нажимаем OK. Если файлы не содержат ошибок, то компилятор выдаст в нижнем окне Transcript соответствующие сообщения. В данном примере эти сообщения имеют вид, представленный на рис. 12.

# reading C:FPGAdv63PSModeltech6win32/../modelsim.ini
# Loading project My_testbench
# Compile of tstatmach.v was successful.
# Compile of STATMACH.V was successful.
# Compile of Timer4.v was successful.
# 3 compiles, 0 failed with no errors.

Рис. 12. Сообщения компилятора

В окне Workspace напротив имен файлов знак вопроса после компиляции заменяем на «галочку» (рис. 13).

Рис. 13. Компиляция файлов проекта проведена

Если программа содержит ошибку, то в нижнем окне Transcript появится сообщение об этом.

Двойной щелчок на сообщении об ошибке выдает строку Verilog-текста, в которой может быть ошибка (однако на самом деле ошибка может быть совершенно в другой строке — синтаксис Verilog сложный, и так же, как и в компиляторах языка Си, ошибка может быть в строке перед указанной строкой).

Выдача текста Verilog-файла для редактирования осуществляется после двойного щелчка по имени соответствующего файла.

Далее переходим к заданию опций моделирования. Для этого в главном меню необходимо выбрать: Simulate→Runtime Options, появится окно Runtime Options. Задать:

• Default Radix→Symbolic (формат представления данных);
• Default Run→100 ns (время одного шага моделирования при пошаговом моделировании);
• Iteration Limit→5000 (число событий моделирования, событие — изменение сигнала).

Остальное — по умолчанию, нажать OK (рис. 14).

Рис. 14. Задание опций моделирования в окне Runtime Options

Следующим шагом будет установка верхнего модуля проекта для симуляции в окне Start Simulation. Выбрать в главном меню Simulate→Start Simulation, появится окно Start Simulation (рис. 15).

Рис. 15. Окно Start Simulation для указания верхнего модуля проекта

В окне Start Simulation необходимо выполнить следующие установки: раскрыть библиотеку work, выбрать (двумя щелчками) имя верхнего модуля проекта (test_statmach), остальное можно оставить по умолчанию. Нажать OK (рис. 16).

Рис. 16. Выбран модуль верхнего уровня

После выбора верхнего модуля проекта в окне Workspace появится закладка sim, и внешний вид программы будет такой, как на рис. 17.

Рис. 17. Проект для моделирования прочитан без ошибок

При загрузке скомпилированных файлов будут выданы следующие сообщения (рис. 18).

vsim work.test_statmach
# vsim work.test_statmach
# Loading work.test_statmach
# Loading work.statmach
# ** Warning: (vsim-3009) [TSCALE] — Module 'statmach' does not have a `timescale directive in effect, but previous modules do.
# Region: /test_statmach/dut
# Loading work.Timer4
# ** Warning: (vsim-3015) E:/My_testbench/tstatmach.v(17): [PCDPC] — Port size (4 or 4) does not match connection size (1) for port 'in'.
# Region: /test_statmach/dut
# ** Warning: (vsim-3015) E:/My_testbench/tstatmach.v(17): [PCDPC] — Port size (5 or 5) does not match connection size (1) for port 'out'.
# Region: /test_statmach/dut.

Рис. 18. Сообщения компилятора

Первое из этих сообщений говорит о том, что один из файлов проекта не содержит директивы `timescale, а два других — о том, что некоторые из портов вывода одного из модулей задействованы лишь частично.

Следующим шагом будет открытие окна Wave. Для этого в окне Workspace, в закладке sim, выделим строку с названием модуля верхнего уровня test_statmach. Теперь кликнем правой клавишей мышки по этой строке и в открывшемся меню выберем строку Add→Add to Wave. При этом откроется окно Wave и в него будут загружены названия сигналов модуля test_statmach. Внешний вид этого окна программы показан на рис.19.

Рис. 19. Окно временных диаграмм

Выполним команду Run All. Это можно сделать, нажав кнопку 

. При выполнении программы симулятор выдаст сообщения (рис. 20).

run -all
# The input file was opened successfully.
# time bin decimal hex
# 0.000ns 0001 1 00000001
# 20.000ns 0010 20 00000020
# 50.020ns 0111 5 00000fff
# 62.340ns 0100 4 deadbeef
# 75.790ns 0xx1 2 zzzzzzzz
# 200.000ns 0010 20 00000020
# Break at E:/My_testbench/tstatmach.v line 103

Рис. 20. Сообщения компилятора

Появилось сообщение о том, что симуляция закончилась по команде $stop, находящейся на строке 103, в файле tstatmach.v.

Теперь в окне Wave появились временные диаграммы (рис. 21).

Рис. 21. Сигналы для модуля test_statmach изображены в окне Wave

Необходимо заметить, что, выполнив команду Run All, можно получить временную диаграмму, которая будет иметь неудобный для визуального восприятия масштаб. Возможно, диаграмма будет или сильно сжата, или, наоборот, растянута. Поэтому она визуально может не восприниматься как правильно выполненная. Чтобы изменить масштаб по времени для временных диаграмм, можно воспользоваться кнопками для изменения масштаба. Кнопка  — «увеличить масштаб», кнопка —  «уменьшить масштаб».

Если по каким-либо причинам моделирование не останавливается при симуляции файла, то такое бесконечное (зациклившееся) моделирование можно остановить командой главного меню Simulate→Break, либо нажатием кнопки Break . Во время работы симулятора текущее время моделирования непрерывно увеличивается, и текущее время выводится внизу окна Wave.

Если мы хотим перезапустить симуляцию, то сначала нам необходимо будет выполнить Restart. Для этого нажимаем кнопку Restart   . Откроется окно Restart (рис. 22). После нажатия на кнопку Restart в этом окне программа снова вернется в основное окно, при этом диаграммы сигналов будут очищены.

Рис. 22. Меню в окне Restart

Теперь можно добавить еще несколько диаграмм в окно Wave.

В окне Workspace выделим строку dut — это наш проверяемый модуль. В меню нужно выполнить команды Add→Wave→Selected Instance. В результате этих действий сигналы компонента dut, установленного в модуле test_statmach, будут добавлены в окно Wave.

Рис. 23. Наблюдаемые сигналы для модулей test_statmach и dut в окне Wave

После этого можно снова нажимать кнопку Run. Симулятор вновь выполняет моделирование (рис. 23) и при этом в окне Transcript выдаются сообщения (рис. 24).

# time bin decimal hex
# 0.000ns 0001 1 00000001
# 20.000ns 0010 20 00000020
# 50.020ns 0111 5 00000fff
# 62.340ns 0100 4 deadbeef
# 75.790ns 0xx1 2 zzzzzzzz

Рис. 24. Сообщения при выполнении программы

Какие цели достигнуты в этом примере?

1. Показано, как создаются, устанавливаются и используются модули разных уровней. В этом примере есть модули трех уровней. Показано, как передавать параметры в установленный модуль. Показано, как привязывать сигналы к установленному компоненту.
2. Показано, как выполнять тестбенч с применением файлов паттерна. Преимущества такого выполнения проектов в том, что после изменений параметров в паттерне нет необходимости выполнять компиляцию проекта. Надо просто использовать Reset и запустить симуляцию.
3. Показано, как выводить на монитор информацию во время симуляции.

На этом моделирование примера будет за вершено. При выходе из системы моделирования в рабочей директории появятся (рис. 25):

Рис. 25. Рабочая директория после сохранения проекта

• директория work (в ней находятся скомпилированные файлы проекта);
• системный файл My_testbench.mpf сохраненного проекта цифровой системы (двойной щелчок вызовет систему моделирования и загрузит сохраненное состояние проекта);
• системный файл vsim.wlf временной диаграммы (двойной щелчок вызовет систему моделирования и откроет окно Wave с сохраненной временной диаграммой).

На этом описание работы с программой ModelSim закончим. В этом разделе показаны только самые необходимые действия для первого ознакомления с работой программы. Автор не ставил себе целью объяснить все тонкости ее работы. Поэтому он настоятельно рекомендует читателям самостоятельно более глубоко ознакомиться с руководством по использованию программы ModelSim.

В следующем разделе мы рассмотрим вопросы, связанные с использованием параметров при написании файла модели.