ZYNQ之FPGA学习----Vivado功能仿真

1 Vivado功能仿真

阅读本文需先学习: FPGA学习----Vivado软件使用

典型的FPGA设计流程，如图所示：

图片来自《领航者ZYNQ之FPGA开发指南》

Vivado 设计套件内部集成了仿真器 Vivado Simulator，能够在设计流程的不同阶段运行设计的功能仿真和时序仿真，结果可以在 Vivado IDE 集成的波形查看器中显示。Vivado 还支持与ModelSim、Verilog Compiler Simulator (VCS)、Questa Advanced Simulator等第三方仿真器的联合仿真

功能仿真需要的文件：

• 设计 HDL 源代码，也被称为 UUT(Unit Under Test)： 可以是 VHDL 语言或 Verilog 语言，既可以是设计的顶层模块，也可以是设计的下层子模块
• 测试激励代码，也被称为 TestBench： 根据 UUT 顶层输入/输出接口的设计要求，来产生顶层输入接口的测试激励并监视顶层输出接口
• 仿真模型/库： 根据设计内调用的器件供应商提供的模块而定，如：FIFO、ADD_SUB 等。在使用Vivado Simulator 时，仿真器所需的仿真模型/库是预编译好并集成在 Vivado 中的，因此不需要进行额外的预编译操作，直接加载 HDL 设计和 TestBench 即可执行仿真

1.1 创建TestBench

点击Sources窗口中的+，如图所示：

弹出如下窗口，选择Add or Create Simulation Sources，然后点击Next：

如图所示，点击Create File：

弹出的窗口中输入TestBench的文件名，然后点击OK，如图所示：

点击Finish，如图所示：

弹出的自动定义模块窗口中，点击OK，结束TestBench 源文件端口的定义，如图所示：

弹出一个模块定义的确认按钮，点击Yes，如下图所示：

在 Source 窗口中的Simulation Sources下面的sim_1中找到创建的TestBench文件，双击打开，如图所示：

删除文件中默认的代码，然后替换成 LED 灯闪烁的 TestBench(激励)代码，代码如下：

`timescale 1ns / 1ps //仿真时间单位为1ns，精度为1ps
  
module tb_led_twinkle (); //TestBench 的模块名定义

//输入 
reg           sys_clk; 
reg           sys_rst_n; 
  
//输出 
wire  [1:0]   led; 

//信号初始化
initial  begin 
    sys_clk = 1'b0; 
    sys_rst_n = 1'b0; 
    #200 
    sys_rst_n = 1'b1; 
end 
 
//生成时钟 
always #10 sys_clk = ~sys_clk; 

//例化待测设计 
led_twinkle  u_led_twinkle( 
    .sys_clk         (sys_clk ), 
    .sys_rst_n       (sys_rst_n ), 
    .led             (led) 
    ); 

endmodule
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为了便于仿真，稍微改动一下led_twinkle.v文件的代码，将计时器 cnt 的最大计时值设为 10，如下图所示：

module led_twinkle(
    input sys_clk, //系统时钟
    input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
    output [1:0] led //LED灯
);
reg [25:0] cnt;

//对计数器的值进行判断，以输出 LED 的状态
//assign led = (cnt < 26'd2500_0000) ? 2'b01 : 2'b10 ;
assign led = (cnt < 26'd5) ? 2'b01 : 2'b10 ;//仅用于仿真
//计数器在 0~5000_000 之间进行计数
always @ ( posedge sys_clk  or  negedge sys_rst_n)  begin
    if(!sys_rst_n)
        cnt <= 26'd0;
    //else if(cnt < 26'd5000_0000)
    else if(cnt < 26'd10)//仅用于仿真
        cnt <= cnt + 1'b1;
    else
        cnt <= 26'd0;
end

ila_0 u_ila_0 (
	.clk(clk), // input wire clk

	.probe0(probe0), // input wire [0:0]  probe0  
	.probe1(probe1), // input wire [1:0]  probe1 
	.probe2(probe2) // input wire [25:0]  probe2
);

endmodule
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在Flow Navigator窗口中点击Run Simulation，并选择Run Behavioral Simulation，如图所示：

进入仿真界面，如图所示：

• Scope 窗口。 Scope(范围)是 HDL 设计的层次划分，可以看到设计层次结构。选择一个 Scope 层次结构中的作用域时，该作用域内的所有 HDL 对象，包括 reg、wire 等都会出现在Objects窗口中
• Object 窗口。 Objects窗口会显示在Scopes窗口中选择的范围内的所有 HDL 仿真对象，如图所示：

• 波形窗口。 用于显示所要观察信号的波形， 若要向波形窗口添加单个 HDL 对象或多个 HDL 对象，在Objects窗口中，右键单击一个或多个对象，然后从下拉菜单中选择Add to Wave Window选项

点击波形窗口中的保存按钮，如图所示：

弹出窗口，点击Yes，如图所示：

• 仿真工具栏。 仿真工具栏包含运行各个仿真动作的命令按钮，如图所示：

工具栏从左至右依次是：

Restart： 将仿真时间重置为零，波形窗口中原有的波形都会被清除。下次执行仿真时，会从 0时刻重新开始
Run all： 运行仿真
**Run For： ** 运行特定的一段时间。 紧随在后面的两个文本框用于设定仿真时长的数值大小和时间单位
Step： 按步运行仿真，每一步仿真一个 HDL 语句
Break： 暂停当前仿真
Relaunch： 重新编译仿真源并重新启动仿真

Settings 窗口中设置默认仿真时长的参数值，如图所示：

点击Restart，波形窗口中的当前仿真时刻点回归到0ns：

如图所示，开始仿真：

cnt 信号默认显示为 16 进制，为了方便观察，将其设置为 10 进制。对 cnt 信号右键，在弹出的菜单中选择Radix，然后选择Unsigned Decimal，如图所示：

修改后，波形如图所示：

仿真结束后， 可以在 Flow Navigator 窗口中找到 SIMULA TION， 选择 Close Simulation ，如图所示：

弹出关闭仿真的确认窗口，点击OK即可：

致谢领航者ZYNQ开发板，开启FPGA学习之路！

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正

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