【0基础学会Verilog】004. 学会使用Vivado自带仿真器

编写好实现指定功能的Verilog模块后，需要对其进行仿真来验证模块的正确性，这需要用到EDA开发工具的仿真器，我们选择Xilinx公司的Vivado自带的仿真工具进行仿真。

---

1. 编写仿真模块

在前面的章节已经学习了为Verilog模块编写基本的测试模块，即testbench的基本步骤和方法。本文不再赘述，直接罗列代码如下。

• 组合逻辑版calc()模块

//用组合逻辑实现与calc_v2()函数相同的功能
module calc_wire(
    input wire [31:0] a,
    input wire [31:0] b,
    input wire [31:0] c,
    output wire [31:0] sum
);
    wire [31:0] tmp;
    assign tmp = (a+b) - c * 8;
    assign sum = tmp;
endmodule

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

• 时序逻辑版calc()模块

//用时序逻辑实现与calc_v2()函数相同的功能，计算表达式((a+b) - c * 8)的值
module calc_reg(
    input clk,
    input wire [31:0] a,
    input wire [31:0] b,
    input wire [31:0] c,
    output reg [31:0] sum
);
//声明一个位宽32bit的reg型变量tmp
reg [31:0] tmp;

//alway块用于对reg型变量赋值tmp
always @(posedge clk) tmp <= (a + b) - c * 8;

//又一个alway块用于对reg型变量赋值sum 
always @(posedge clk) begin
  sum <= tmp;
end

endmodule
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

• 综合测试模块

之前博文针对单个Verilog模块calc_reg和calc_wire分别编写了两个testbench，这是为了让大家了解组合逻辑和时序逻辑的区别。实际上，对一个模块而言，一般来说既包含组合逻辑，也会包含时序逻辑，对应的testbench也不会刻意在模块级区分组合逻辑或时序逻辑。下面，我们编写一个对calc_wire和calc_reg两个模块进行综合比对测试的模块，这样可以更好地理解组合逻辑和时序逻辑的区别。

//时间单位:1ns, 时间精度:1ps
`timescale 1ns/1ps     

module calc_testbench();
    
    //1. 时序逻辑需要至少一个时钟信号
    //   因此，testbench必须生成一个虚拟的时钟信号
    reg clk;
    initial begin
        clk = 0;

        forever begin
            #50;       //50ns, 一个时钟周期为50ns*2 = 100ns
            clk = ~clk;
        end
    end

    //2. 给出待测模块需要的输入参数
    reg [31:0] aa;
    reg [31:0] bb;
    reg [31:0] cc;

    initial begin
        aa = 30;
        bb = 40;
        cc = 2;
        #10;     //wait for 10ns, less than one clk period
        bb = 90;
        #5;
        cc = 5;    
        #55;
        aa = 20;  
        #206;
        aa = 100;
        bb = 10;
        cc = 20;     
    end


    //3. 调用待测试函数calc_reg，并将结果保存到整数dd中
    //   将信号aa,bb,cc的值分别传递给模块的输入参数a,b,c
    //   并将模块运算结果通过sum_0提取出来    
    //   时序逻辑需要时钟信号clk也由外部输入
    wire [31:0] sum_0;

    calc_reg dut_0(
        .clk(clk),    //时序逻辑必须输入时钟信号

        .a(aa),
        .b(bb),
        .c(cc),

        .sum(sum_0)
    );

    //4. 用相同的输入数据例化组合逻辑模块calc_wire
    //   将信号aa,bb,cc的值分别传递给模块的输入参数a,b,c
    //   并将模块运算结果通过sum提取出来
    wire [31:0] sum_1;
    calc_wire dut_1(
        .a(aa),
        .b(bb),
        .c(cc),

        .sum(sum_1)
    );


    //5. 显示函数计算的结果用于比对和验证
    initial begin
        #3000;

        $display("reg: (%d + %d) - %d * 8 =  %d",aa,bb,cc,sum_0);
        $display("wire: (%d +%d) - %d * 8 =  %d",aa,bb,cc,sum_1);

        $finish;
    end
endmodule
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78

---

2. 建立Vivado工程并添加Verilog文件

• 打开Vivado,新建一个名为simulation_demo的项目
  （1）点击菜单【File】–【Project】–【New】新建工程
  （2）在弹出界面点击【Next】
  （3）修改项目名称和存放位置

  Project Name: simulation_demo
  Project Location: 选择某个容易找到的位置(/home/dayao/tmp)
  勾选Create project subdirectory

  （4）点击【Next】勾选RTL Project
  （5）点击【Next】直到选择Parts也就是FPGA芯片型号的界面。
  （6）选择一款FPGA芯片，比如Artix-7系列芯片xc7a100tfgg484-2
  （7）点击【Next】,直到【Finish】

• 为新项目添加可综合设计模块(Design module)
  （1）复制上面calc_wire()和calc_reg()模块的源码分别保存为文件calc_wire.v和calc_reg.v，将文件保存到项目所在文件夹下，比如文件夹/home/dayao/tmp/simulation_demo/下。
  （2）将文件calc_wire.v和calc_reg.v添加到Vivado工程, 注意添加文件时选择Add or Create design sources,因为这两个文件是生成实际硬件模块的可综合设计模块。

• 添加仿真模块(Simulation module)
  (1) 上面calc_testbench()模块源码的内容为calc_testbench.v，同样放在文件夹/home/dayao/tmp/simulation_demo/下。
  (2) 将文件calc_testbench.v添加到Vivado工程, 注意添加文件时注意选择Add or Create simulation sources,因为这个文件是仿真文件，并不会生成实际的硬件模块。

完成上面的步骤后，应该在Vivado的源码管理界面看到如下结构

---

3. 使用Vivado自带仿真器仿真

现在可以使用Vivado自带仿真器进行数据仿真了。

点击Vivado的【Flow Navigator】–【SIMULATION】-【Run Simulation】–【Run Behavioral Simulation】启动Vivado仿真界面，开始编译仿真模块并显示仿真结果，如果没有错误，应该出现下面的仿真结果界面。

注意：上面的波形图中，数据都是以十进制的形式表示的，Vivado默认的数据格式是十六进制，有时不方便观察。在仿真界面可以二进制、八进制、十进制和十六进制等多种形式表现。方法如下：

(1) 选中需要修改进制的信号(可以多选)点击右键弹出下拉菜单如下图所示；
(2) 下拉菜单中选择【Radix】–

Binary : 二进制
Hexadecimal: 十六进制
Octal: 八进制
ASCII: 字符
Unsigned Decimal: 无符号十进制数
Signed Decimal: 有符合十进制数

---

4. 扩展练习

1. 编写一个计数器模块(couter)，该计数器从0开始计数，计数到255时返回0，再次开始计数。
2. 为这个**计数器模块(couter)**编写testbench，验证模块的功能是否正确。