FPGA系統設計的仿真驗證之： FPGA設計仿真驗證的原理和方法

7.1FPGA設計仿真驗證的原理和方法

7.1.1FPGA設計仿真驗證

嚴格來講，FPGA設計驗證包括功能與時序仿真和電路驗證。仿真是指使用設計軟件包對已實現的設計進行完整測試，模擬實際物理環境下的工作情況。

功能仿真是指僅對邏輯功能進行測試模擬，以了解其實現的功能是否滿足原設計的要求。仿真過程沒有加入時序信息，不涉及具體器件的硬件特性，如延時特性等，因此也叫前仿真。它是對HDL硬件設計語言的功能實現能力進行仿真，以確保HDL語言描述能夠滿足設計者的最初意圖。

時序仿真則是在HDL可以滿足設計者功能要求的基礎上，在布局布線后，提取有關的器件延遲、連線延時等時序參數，并在此基礎上進行的仿真，也稱為后仿真，它是接近真實器件運行的仿真。

如圖7.1所示是FPGA設計仿真驗證的基本方法。

圖7.1FPGA設計仿真驗證基本方法

7.1.2FPGA設計仿真的切入點

在FPGA的設計中，完整的設計流程往往會涉及多個EDA工具，比如設計輸入工具、綜合工具、布局布線工具、仿真工具等。如何將這些EDA工具進行適當的結合，在符合各個工具接口情況下發揮各個工具的特長，是每一個FPGA設計工程師都要面臨的問題。

如圖7.2所示是利用仿真工具ModelSim與綜合工具FPGACompilerII及布線工具FoundationSeries或Quartus相配合實現FPGA設計的流程圖。

圖7.2FPGA設計仿真切入點

在設計輸入階段，由于Modelsim僅支持VHDL或VerilogHDL，所以在選用多種設計輸入工具時，可以使用文本編輯器完成HDL語言的輸入。當然也可以利用相應的工具以圖形方式完成輸入，但必須能夠導出對應的VHDL或VerilogHDL格式。

近年來出現的圖形化HDL設計工具，可以接收邏輯結構圖、狀態轉換圖、數據流圖、控制流程圖及真值表等輸入方式，并通過配置的翻譯器將這些圖形格式轉化為HDL文件，如MentorGraphics公司的Renoir，Xilinx公司的Foundation系列都帶有將狀態轉換圖翻譯成HDL文本的設計工具。

從圖7.2可以看出，在FPGA設計過程中，有3處可以使用Modelsim進行仿真。

（1）寄存器傳輸級（RTL）仿真。

此級仿真是對設計的語法和基本功能進行驗證（不含時序信息）。在RTL仿真階段，應該建立一個測試臺。此測試臺可以在整個FPGA流程中進行仿真驗證（RTL級、功能級、時序門級）。測試臺不但提供測試激勵與接收響應信息，而且可以測試HDL仿真流程中的關鍵功能（如運算部件輸出值的正確性等）。測試臺的產生可以直接使用文本編程得到，也可以使用圖形化工具輸入，再由軟件翻譯為HDL格式，例如使用HDLBencher軟件利用其良好的波形輸入界面輸入測試激勵，再由其自動轉化為HDL格式而得到。

（2）針對特定的FPGA專有技術的仿真。

此級仿真是在綜合后、實現前而進行的功能仿真。功能仿真一般驗證綜合后是否可以得到設計者所需要的正確功能，而且功能仿真的結果往往與RTL級仿真結果相同。

（3）門級仿真。

此級仿真是針對門級時序進行的仿真，門級仿真體現出由于布局布線而產生的實際延時。在這個階段，仿真的結果和設計者選擇的FPGA型號有著直接的關系。由于不同的FPGA的內部結果有所差異，因此同一個設計在不同FPGA型號上得到的門級仿真結果也是不同的。