Qsys與uC/OS學習筆記2：系統仿真

　　仿真在FPGA設計過程中舉足輕重，在板級調試前若不好好花功夫做一些前期的驗證和測試工作，后期肯定要不斷的返工甚至推倒重來，這是FPGA設計的迭代特性所決定的。因此，在設計的前期做足了仿真測試工作，雖然不能完全避免后期問題和錯誤的發生，卻能夠大大減少后期調試和排錯的工作量。

　　邏輯設計中需要做仿真，是因為邏輯設計大都是設計者原型開發的，不做仿真的話設計者肯定心里也沒底。而用Qsys搭建的系統多是由已經成熟驗證過的IP核組成的，還需要仿真否?這是個仁者見仁智者見智的問題，特權同學也無意深入其中不能自拔。過去用SOPC Builder時還確實想動手做做這類帶CPU的系統級仿真，只可惜倒騰半天不是缺這個就是少那個，大都無功而返。這回上了Qsys，而且ModelSim-Altera對于Quatus II的支持也是做得越來越“體貼”了，所以今個再做了一些嘗試，果然成功了，原廠把工具的使用做得越來越傻瓜便利的同時，工程師們從中大大獲益。

　　如圖1所示，首先在Generations的Simulation選項中做好設置。

　　圖1

　　Simulation設置選項的具體含義如圖2所示。

　　圖2

　　因為都是用Verilog，所以simulation model和testbench simulation model我們都選擇Verilog，話說Altera其實主打的是Verilog語言，所以各種功能對Verilog的支持都是非常到位的，VHDL就不一定了。也用過Xilinx的東西，則正好相反。也不能談論孰優孰劣，也是習慣使然。

　　Standard和Simple的模型主要差別在于后者只是簡單的在testbench里產生clock和reset信號，而前者則會對所有export信號產生激勵或引出便于監視觀察。

　　確定完成Simulation的設置后就可以點擊左下角的Generate重新生成系統。

　　系統生成完畢，到“工程目錄myqsystestbenchmyqsys_tbsimulation”這個路徑下有測試腳本的頂層文件myqsys_tb.v，打開后代碼如下：

　　`timescale 1 ps / 1 ps

　　module myqsys_tb (

　　);

　　wire myqsys_inst_clk_bfm_clk_clk; // myqsys_inst_clk_bfm:clk -> [myqsys_inst:clk_clk, myqsys_inst_reset_bfm:clk]

　　wire myqsys_inst_reset_bfm_reset_reset; // myqsys_inst_reset_bfm:reset -> myqsys_inst:reset_reset_n

　　wire [7:0] myqsys_inst_led_pio_external_connection_export; // myqsys_inst:led_pio_external_connection_export -> myqsys_inst_led_pio_external_connection_bfm:sig_export

　　myqsys myqsys_inst (

　　.clk_clk (myqsys_inst_clk_bfm_clk_clk), // clk.clk

　　.reset_reset_n (myqsys_inst_reset_bfm_reset_reset), // reset.reset_n

　　.led_pio_external_connection_export (myqsys_inst_led_pio_external_connection_export) // led_pio_external_connection.export

　　);

　　altera_avalon_clock_source #(

　　.CLOCK_RATE (50)

　　) myqsys_inst_clk_bfm (

　　.clk (myqsys_inst_clk_bfm_clk_clk) // clk.clk

　　);

　　altera_avalon_reset_source #(

　　.ASSERT_HIGH_RESET (0),

　　.INITIAL_RESET_CYCLES (50)

　　) myqsys_inst_reset_bfm (

　　.reset (myqsys_inst_reset_bfm_reset_reset), // reset.reset_n

　　.clk (myqsys_inst_clk_bfm_clk_clk) // clk.clk

　　);

　　altera_conduit_bfm myqsys_inst_led_pio_external_connection_bfm (

　　.sig_export (myqsys_inst_led_pio_external_connection_export) // conduit.export

　　);

　　endmodule

　　該代碼中首先例化了被測試系統myqsys，將其3個export信號引出。然后分別針對這3個export信號產生相應的激勵和響應，即altera_avalon_clock_source用于產生clock，altera_avalon_reset_source用于產生reset信號，altera_conduit_bfm則用于觀察led_pio輸出。這三個模塊的詳細代碼都可以在同目錄的submodules子文件夾下找到。

　　接下來，我們需要打開EDS中的軟件工程并對其進行仿真。我們接著使用上一個筆記中創建的countbinary_prj工程進行仿真，首先我們需要到BSP Editor里面去重新generate，因為Qsys有改動并重新生成了。接著修改其main函數如下：

　　int main(void)

　　{

　　alt_u16 cnt;

　　for(cnt=0;cnt<256;cnt++)

　　{

　　IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE,cnt);

　　}

　　while(1);

　　}

　　目前工程代碼執行的意圖是：在上電初始化完成后，led_pio會從0連續的遞增一直到255，然后停止。保存修改的軟件代碼并重新編譯工程，然后在應用工程上點擊右鍵值并選擇Rus asàNiso II ModelSim，如圖3所示。

　　圖3

　　第一次運行通常會彈出如圖4所示的窗口，需要對仿真選項做一些配置。選擇選擇仿真的工程名(Project name)、仿真的elf可執行文件(Project ELF file name)、ModelSim軟件的安裝路徑(ModelSim path)和Qsys測試腳本封裝描述文件(Qsys Testbench Simulation Package Descriptor File name)存儲位置。設計好后點擊Run即啟動ModelSim進行仿真。

　　圖4

　　彈出ModelSim-Altera后，我們可以講頂層文件的3個export信號添加的Wave窗口中，然后Run起來，看看仿真時間有2-3秒后我們可以回放仿真波形(具體的時間需要看PC的狀況，特權同學的Pentium E5800跑了應該有半分多鐘)，如圖5、圖6和圖7所示。

　　如圖5，剛上電0ns開始，reset信號有一段時間的低脈沖，大約50個clk周期，正如我們的testbench中所設計的。

　　圖5

　　如圖6所示，在仿真進行到大約1.3s時刻，led_pio信號有一段變化的波形，初始0值在經過這段變化波形后最終變為255，這也是我們軟件代碼里面所設置的最終值。

　　圖6

　　再來看圖7，我們將led_pio的變化段波形放大，果然是我們軟件編程的遞增的值，一直從0遞增到255為止。

　　圖7

　　仿真的流程基本就是這樣，很easy，我們只要動動指尖就可以完成，當然了，如果要做很多個性化的細致的仿真驗證，那么在testbench里面我們倒是可以動些手腳，輸出結果也不光只是看看波形而已。