基于ModelSim的VHDL仿真技術研究與應用

陳志剛

摘要：電子產品設計人員希望電子器件有更小的功耗、更強的功能、更低的價格，這就要求將更多的功能集成到單一的芯片。隨著計算機技術的快速發展，電子系統設計過程中廣泛使用VHDL語言，首先利用VHDL完成電子產品的系統設計，再通過EDA軟件對VHDL程序進行編譯，產生SDF文件，ModelSim通過調用SDF文件，使用Testbench生成相應的測試激勵。以24進制計數為例，應用聯合仿真，有效解決不同種類激勵源的產生、驗證自動化、平臺移植等問題。

關鍵詞：ModelSim;QuartusII;Testbench;聯合仿真

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）31-0286-02

1概述

ModelSim是工業界廣泛使用的仿真軟件，由Me.or Graph-ics公司開發?？梢元毩⑼瓿捎布枋稣Z言代碼的功能仿真，還能結合FPGA/CPLD開發軟件進行時序仿真，得到包含信號傳輸時序的結果。同時可以對System c、c語言進行調試與仿真，設計過程中可以采取許多靈活的手段來完成設計工作，大多數FP-GA/CPLD供應商軟件都提供與ModelSim的接口。Altera公司的FPGA/CPLD器件的集成度小到300門，大到超過1000萬門，可以用來設計、集成現有的大多數邏輯器件，直到實現單片系統，而且其開發系統簡單易學、功能強大，學校計劃執行非常好，占據了國內大量的市場，很多學校和公司都使用Ahera公司的產品進行設計和開發。QuartuslI適合通過畫波形圖做初級的仿真，但從Quartusl110.0起不再提供對波形仿真的支掙”。本文使用QuartusII13與ModelSim10軟件進行聯合仿真，通過高電平異步復位24進制計數器的設計說明二者聯合仿真的方法。

224進制計數器的VHDL設計

目前，常用的HDL硬件描述語言主要有VHDL和VerilogHDL，其中VerilogHDL語言具有簡捷、高效、易學易用、功能強大等特點，適用于RTL級和門電路級的描述;VHDL語言主要用于描述數字系統的結構、行為、功能和接口。VHDL作為IEEE的工業標準硬件描述語言，已成為電子工程領域的實際通用硬件描述語言。

為了適應實際數字電路的工作模式，VHDL在多個語句中并行和按順序同時描述所有可能的事件。因此VHDL程序執行方式與其他計算機語言不同，它不是按順序一條一條執行每一條語句，而是有并行執行的語句同時也有按順序執行的語句，VHDL程序由一組并行語句構成，并行語句中有順序語句，這就要求電路設計人員擺脫一維思維模式，完成多維并行思維的VHDL編程。

在綜合分析電子系統任務書發布的系統功能和技術指標后，根據已獲取的知識和數據，將系統總體功能合理分解為多個子系統，定義好各個子系統的接口，并將子系統塊互連，形成系統框圖，采用自頂向下的設計方法，與傳統的根據元件選擇實現方法有根本不同。各個設計小組分別設計子系統。電子系統設計的質量直接取決于電子系統總體方案的選擇。在設計整體方案時，應該多思考，分析更多，并進行更多比較。綜合考慮性能穩定、運行可靠、電路簡單、成本低、功耗低、測試維護方便等因素，選擇最佳方案。通過計算機下載到硬件芯片中，實現電路功能，極大加快產品設計進程，可以使產品快速進入市場。

計數器是一種基本時序邏輯電路，主要用來對輸入的脈沖個數進行累計和記憶，兼有分頻、定時、產生節拍脈沖及進行數字運算等功能，交通燈、時鐘等控制器的核心就是計數器。實現異步高電平復位24進制計數器的VHDL主要程序如下：

啟動EDA設計軟件Quartuslll3，新建項目工程，將24進制計數器程序輸入QuartuslI并編譯查錯直至沒有語法錯誤，生成網表文件和SDF文件，供ModelSim調用。

3利用ModelSim進行仿真及分析

測試平臺（Testbench）是驗證基于VHDL的FPGA設計的有效方法。一個完整的測試平臺由三部分組成：信號定義、模塊接口和功能代碼。測試仿真的流程為對被測試設計的頂層接口進行例化、給輸入接口加激勵、判斷輸出是與否滿足設計要求。通過觀察仿真輸出波形驗證所寫RTL代碼正確與否，若符合預期，則驗證結束，否則修改代碼直至與預期相同。雖然畫波形圖的方法比Testbench更加直觀且易于上手，但畫波形圖只能產生有限的輸入信號，從而只能完成較初級的功能測試。Testbench可以產生不同種類激勵信號，易于實現遠遠高于繪圖波形提供的功能覆蓋，可重用性及平臺移植性都好。對于復雜設計來說，可能的狀態較多，仿真耗時很長，若只是通過畫波形圖來人為觀測，比對功能是否實現的效率會很低，而Testbench是以程序語言的方式進行描述的，在仿真過程中可以使用還原點和仿真恢復，以減少不必要的仿真，提高仿真效率，通過波形比較，將配套的“.dif”和“.rul”文件添加到對話框中，就可以快速地查看比較的波形結果，定位代碼的問題所在，測試臺的模擬速度比波形圖快幾個數量級。在本文的設計中，用VHDL語言來設計測試平臺（Testbench），程序主要內容如下：

啟動ModelSim軟件，先建立一個work庫后，創建一個新項目project，編譯相應設備的庫文件，將QuartuslI生成的包含設計中的延遲信息和時序約束信息SDF仿真文件添加到Model-Sim工程中，編譯上述Testbench文件，運行仿真，結果如圖l所示。

4結束語

VHDL語言能進行系統級的硬件描述是它的一個最突出的優點，充分利用VHDL語言的易操作性和安全性，可以改善電子產品的設計過程，促進行業進步，加快產品更新，提高市場占有率。根據上述的設計及聯合仿真方法，通過QuartuslI編譯VHDL源文件，生成仿真文件，再利用VHDL語言寫測試平臺，啟動ModelSim進行模擬。這樣二種軟件分工明確，從圖1可知，仿真的結果正確，達到預期目的。充分發揮ModelSim仿真速度更快、功能更強的特性，易于查錯，可以大大減少開發時間，提高開發效率。