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FPGA基础 -- 仿真初识

article 2025/3/13 8:08:07

什么是仿真（Simulation）？

在 FPGA 开发 中，仿真（Simulation） 是指在硬件电路真正部署到 FPGA 之前，通过 计算机软件 来模拟 FPGA 设计的功能和时序，以验证设计的正确性。仿真主要用于调试 RTL 代码（Verilog/VHDL/SystemVerilog）和验证逻辑功能，避免在实际硬件上调试时可能遇到的高昂成本和复杂问题。

仿真通常分为 功能仿真（Functional Simulation） 和 时序仿真（Timing Simulation） 两大类。

1. 功能仿真（Functional Simulation）

目标：验证设计的逻辑正确性，不考虑门延迟和时序约束。

主要特点：

仅考虑逻辑功能，不涉及实际硬件时序延迟。
适用于 RTL 级别（Verilog/VHDL 代码）的调试。
运行速度较快，适用于快速验证设计逻辑。
适合在 FPGA 综合（Synthesis）前进行调试。

示例：

假设我们设计了一个简单的 4 位加法器，其 RTL 代码如下：

module adder4 (
    input [3:0] a, 
    input [3:0] b, 
    output [3:0] sum, 
    output carry
);
    assign {carry, sum} = a + b;
endmodule

测试激励（Testbench）示例：

module tb_adder4;
    reg [3:0] a, b;
    wire [3:0] sum;
    wire carry;
    
    adder4 uut (
        .a(a),
        .b(b),
        .sum(sum),
        .carry(carry)
    );

    initial begin
        // 施加不同的测试输入
        a = 4'b0011; b = 4'b0101; #10;  // 3 + 5 = 8
        a = 4'b1111; b = 4'b0001; #10;  // 15 + 1 = 16 (溢出)
        a = 4'b0110; b = 4'b0011; #10;  // 6 + 3 = 9
        $stop;
    end
endmodule

通过功能仿真可以观察 sum 和 carry 是否按照预期输出。

2. 时序仿真（Timing Simulation）

目标：验证设计在综合、布局布线后，是否满足时序约束，确保时钟和信号传输延迟符合要求。

主要特点：

考虑门延迟和互连延迟，确保设计满足时序要求。
适用于综合（Synthesis）和布局布线（Place & Route）之后的仿真。
运行速度慢于功能仿真，但更接近真实硬件行为。
需要结合 SDC 时序约束文件 进行验证。

示例：

时序仿真会在综合后生成一个网表文件（Netlist），用于加载到仿真工具中进行测试，例如：

vsim -t 1ps -L work -L unisim -voptargs="+acc" tb_adder4

通过波形查看工具（如 ModelSim、QuestaSim）分析信号延迟、时钟抖动、信号翻转等时序行为。

3. 仿真工具

以下是常见的 FPGA 仿真工具：

仿真工具	开发商	适用范围
Vivado Simulator	Xilinx	适用于 Xilinx FPGA，集成在 Vivado 中
QuestaSim	Siemens EDA (原 Mentor Graphics)	适用于大多数 FPGA 设计，支持高级验证
ModelSim	Siemens EDA	适用于 Intel FPGA 和其他 FPGA 设计
VCS	Synopsys	适用于 ASIC 设计，也支持 FPGA
Xilinx ISIM（已淘汰）	Xilinx	旧版仿真工具，被 Vivado Simulator 取代
GHDL	开源	适用于 VHDL 设计的免费仿真工具

4. 仿真与硬件调试的区别

对比项	仿真（Simulation）	硬件调试（On-Chip Debugging）
运行环境	计算机软件（ModelSim/QuestaSim）	真实 FPGA 硬件
速度	受限于计算资源，较慢	真实时钟频率，接近实际应用
适用阶段	设计早期，验证 RTL 逻辑	设计后期，验证综合后行为
调试手段	观察波形、断点调试	通过 Signal Tap、ILA 等工具实时查看数据
能否修改设计	可随时修改代码并重新仿真	需重新烧录 FPGA

5. 仿真 vs 硬件验证 vs 现场调试

仿真阶段（Simulation）
- 主要用于 RTL 级别的功能和时序验证。
- 不依赖于实际硬件，加快开发迭代。
硬件验证（Hardware Validation）
- 在 FPGA 硬件上运行，结合调试工具（ILA、SignalTap）。
- 适用于综合后验证，确保真实 FPGA 行为正确。
现场调试（Field Debugging）
- 在实际应用场景中（如工业控制、通信设备）进行调试，发现环境干扰、温度等问题。