(筆記) 如何使用ModelSim作前仿真與後仿真? (SOC) (Quartus II) (ModelSim)

Abstract
本文介紹使用ModelSim做前仿真，並搭配Quartus II與ModelSim作後仿真。

Introduction
使用環境：Quartus II 8.1 + ModelSim-Altera 6.3g

由於FPGA可重複編程，所以不少開發人員就不寫testbench，直接使用Quartus II的programmer燒進開發板看結果，或者使用Quartus II自帶的Waveform Editor進行仿真，這種方式雖然可行，但僅適用於小project，若project越寫越大，Quartus II光做fitter就很耗時間，一整天下來都在作Quartus II編譯。

比較建議的方式，還是學ASIC那招：『寫testbench先對每個module作前仿真，再對每個module作後仿真，最後再燒入FPGA測試。』

這種方式的優點是：

1.testbench比waveform editor可更靈活的描述電路規格。

2.testbench可使用Verilog的系統函數，如$display()、$fwrite()...等。

但要使用testbench作仿真，單獨Qaurtus II並無法做到，就得使用ModelSim了，這又牽涉到『前仿真』與『後仿真』。

所謂的『前仿真』，就是Quartus II的Functional Simulation，不考慮電路的門延遲與線延遲，重點在觀察電路在理想環境下的行為與設計構想是否一致[1]。由於沒經過fitter階段，所以模擬速度很快。前仿真結果正確，並不表示將來結果結果正確，但若前仿真結果不正確，則將來結果一定不正確。

所謂的『後仿真』，就是Quartus II的Timing Simulation，考慮了電路的門延遲與線延遲，由於經過fitter階段，所以模擬結果最為精準。但fitter在Quartus II編譯需耗費很多時間，所以建議『前仿真』正確後，再考慮『後仿真』。

使用Quartus II的waveform editor作前仿真與後仿真，我就不再多談，本文主要是談如何使用ModelSim-Altera作前仿與後仿。

1.使用GUI的方式在ModelSim-Altera作前仿真。

2.使用DO macro在ModelSim-Altera作前仿真。

3.使用Quartus II + ModelSim-Altera作後仿真。

Counter.v / Verilog

 /* 
 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
 
 Filename    : Counter.v
 Compiler    : Quartus II 8.1 / ModelSim-Altera 6.3g
 Description : simple counter
 Release     : 01/30/2009 1.0
 */
 
 `timescale 1ns/100ps
 
 module Counter (
   input        CLK,
   input        RST_N,
   output [3:0] CNT
 );
 
 reg [3:0] cnt;
 assign CNT = cnt;
 
 always@(posedge CLK, negedge RST_N) begin
   if (!RST_N)
     cnt <= #5 4'h0;
   else
     cnt <= #5 cnt + 1'b1; 
 end
 
 endmodule

一個很簡單的counter，從0數到15重複數。由於要使用ModelSim作前仿，所以在reg做了delay，不過這在Quartus II作合成時會自動忽略， 因為delay並非可合成的Verilog。

一般寫給FPGA的RTL，都不會去設定timescale，不過由於要用ModelSim作前仿，所以要加上timescale。

Counter_tb.v / Verilog 

 /* 
 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
 
 Filename    : Counter_tb.v
 Compiler    : Quartus II 8.1 / ModelSim-Altera 6.3g
 Description : simple counter testbench
 Release     : 01/30/2009 1.0
 */
 
 `timescale 1ns/100ps
 
 module Counter_tb;
 
 reg        clk;
 reg        rst_n;
 wire [3:0] cnt;
 
 parameter PERIOD = 20;
 
 Counter counter (
   .CLK(clk),
   .RST_N(rst_n),
   .CNT(cnt)
 );
 
 initial begin
   #0 clk   = 1'b0;
      rst_n = 1'b0;
   #5 rst_n = 1'b1;
 end
 
 // 50MHz
 always #(PERIOD/2) clk = ~clk;
 
 endmodule

一個很典型的testbench，唯一要注意的是第28行。

   rst_n = 1'b0;
#5 rst_n = 1'b1;

之所以一開始要將rst_n為0，是因為ModelSim與Quartus II對reg初始值看法不一樣，Quartus II認為reg初始值為0，但ModelSim認為reg初始值為x，所以需要rst_n=1'b0將reg歸0，這樣用ModelSim前仿才會正確，但ModelSim後仿可以不這樣做，因為Quartus II會先做處理。

不過為了前仿與後仿都使用同一個testbench，建議加上rst_n = 1'b0設定reg初始值為0。

有了RTL與testbench之後，來看看如何使用ModelSim作前仿與後仿。

1.使用GUI的方式在ModelSim-Altera作前仿真
ModelSim提供了全GUI的方式，只要使用操作的方式，就能做前仿。

Step 1：
File -> New Project

Step 2：
Add Existing File

將Counter.v與Counter_tb.v加入

Step 3：
Compile All

選擇Counter.v或者Counter_tb.v，按滑鼠右鍵，選擇Compile->Compile All，編譯所有Verilog code。

編譯成功。

Step 4：
Simulate

在Library tab選擇Counter_tb，按滑鼠右鍵，選Simulate。

Simulate成功。

 

Step 5：
Add Signal to Wave

將欲觀察的信號從Objects加入Wave，加入clk,rst_n與cnt。

最後結果。

Step 6：
Run 300ns

最後前仿結果。

2.使用DO macro在ModelSim-Altera作前仿真
ModelSim也提供macro的方式，以上所有的GUI操作，都可以使用TCL script描述。

Step 1與Step 2與之前一樣。

Step 3：
Execute Macro

Counter_wave.do / ModelSim Macro 

 #compile
 vlog Counter.v
 vlog Counter_tb.v
 
 #simulate
 vsim Counter_tb
 
 #probe signals
 add wave *
 
 #300 ns
 run 300 ns

最後前仿結果。

3.使用Quartus II + ModelSim-Altera作後仿真

Step 1：
設定Quartus II使用ModelSim-Altera作後仿真

Assignments -> Settings -> Category ：EDA Tool Settings -> Simulation：Tool name：ModelSim-Altera
選取Run gate-level simulation automatically after compilation
Format for output netlist：Verilog
Time scale：1 ns

Step 2：
設定testbench

在同一頁的NativeLink settings選擇Compile test bench，按下TestBenches..加入Counter_tb.v。比較詭異的是，Test bench name、Top level module in test bench與Design instance name in test bench無法自己抓到，必須自己填。

Step 3：
編譯與模擬

Processing -> Start Compilation

完整程式碼下載
Counter.7z

Conclusion
本文介紹了使用ModelSim作前仿真與後仿真，善用ModelSim，將可加快FPGA與SOPC的開發。

See Also
(原創) 如何使用ModelSim-Altera作電路模擬? (SOC) (Quartus II) (ModelSim)
(原創) 如何解決在Quartus II無法使用ModelSim-Altera模擬的問題? (SOC) (Quartus II) (ModelSim)
(原創) 如何做functional simulation? (SOC) (Quartus II) (ModelSim) 
(原創) 如何使用ModelSim對Megafunction或LPM作仿真? (SOC) (MegaCore) (ModelSim)

Reference
[1] EDA先鋒工作室，Altera FPGA/CPLA設計(基礎篇)，人民電郵出版社