FPGA核心之让FPGA初学者纠结的仿真

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简介:对于FPGA初学者而言,如何正确了解并理解FPGA的仿真是关键。应广大FPGA初学者和爱好者要求,小编根据多名在FPGA领域有过多年工作经验的前辈介绍,特此为大家整理并分享以下关于FPGA各种仿真的简洁介绍。

初学者学习FPGA,必定会被它的各种仿真弄的晕头转向。比如,前仿真、后仿真、功能仿真、时序仿真、行为级仿真、RTL级仿真、综合后仿真、门级仿真、布局布线后仿真等。

Quartus和Modelsim软件的仿真形式

Quartus II有两种仿真形式:1、功能仿真;2、时序仿真。

Quartus II调用Modelsim的两种仿真形式为:1、RTL级仿真;2、Gate-level仿真。

以下内容均经过资料查证,详细如下:

理解方法一

modelsim 是专门进行仿真的软件,可以分别进行前仿真和后仿真。前仿真也称为功能仿真,主旨在于验证电路的功能是否符合设计要求,其特点是不考虑电路门延迟与线延迟,主要是验证电路与理想情况是否一致。可综合FPGA代码是用RTL级代码语言描述的,其输入为RTL级代码与testbench。后仿真也称为时序仿真或者布局布线后仿真,是指电路已经映射到特定的工艺环境以后,综合考虑电路的路径延迟与门延迟的影响,验证电路能否在一定时序条件下满足设计构想的过程,是否存在时序违规。其输入文件为从布局布线结果抽象出来的门级网表、testbench和扩展为sdo或sdf的标准时延文件。sdo、sdf的标准时延文件不仅包含门延迟,还包括实际布线延迟,能较好地反映芯片的实际工作情况。一般来说后仿真是必选的,检查设计时序与实际的FPGA运行情况是否一致,确保设计的可靠性和稳定性。

理解方法二

前仿真和后仿真的区别:前仿真就是指综合前的仿真,也就是行为级的仿真,如你在Modelsim直接写代码的仿真。后仿真指的是综合后的仿真,也就是功能仿真。比如你在Modelsim中用VHDL写了个计数器,行为级得仿真通过了,你把它加到quartus中或者其他的综合工具进行综合,综合完后生成功能网表,它把行为语言变成寄存器传送级语言,这时候你把它加到Modelsim中仿真叫后仿真,后仿真成功后,你还要在quartus中进行映射,布局布线,完后进行时序分析,生成时序网表,描述器件里门或者布线的延时,最后把延时网表和功能网表一起加到Modelsim中仿真叫门级仿真。

门级仿真和时序仿真的区别:门级仿真是quartus生成的网表文件.vo。门级则不考虑互联延迟,二只考虑了器件的延迟。时序仿真是选择具体器件并布局布线后进行的包含定时关系的仿真,主要验证是否满足时间约束关系、延时、最大工作频率和消耗的资源等。时序仿真是需添加时延文件.sdo。

补充

从广义上讲,仿真验证包括功能与时序仿真和电路验证。仿真是指使用设计软件包对已实现的设计进行完整测试,模拟实际物理环境下的工作情况。从仿真的层次上划分,主要分为:

前仿真,也称为功能仿真或行为级仿真。是指仅对逻辑功能进行测试模拟,以了解其实现的功能是否满足原设计的要求,仿真过程没有加入时序信息,不涉及具体器件的硬件特性,如延时特性;

后仿真,也称为布局布线后仿真或时序仿真。是指提取有关的器件延迟、连线延时等时序参数,并在此基础上进行的仿真,它是非常接近真实器件运行情况的仿真。 不同的工具和厂商还有一些其他的仿真过程,但大致属于这两类。

针对FPGA设计的流程,有3个阶段可以进行仿真:

第一阶段是寄存器传输级(RTL)仿真,此级仿真是对设计的语法和基本功能进行验证 (不含时序信息);

第二阶段是针对特定的FPGA厂家技术的仿真,此级仿真是在综合后、实现前而进行的功能级仿真,功能级仿真一般验证综合后是否可以得到设计者所需要的正确功能;

第三阶段是门级仿真,此级仿真是针对实现后的门级时序进行仿真,门级仿真体现了由于布局布线而产生的实际延时。

以下是个人拙见

从以上分析,我们可以给文章刚开是提到的那九种仿真名词中的一些画等号了。

前仿真=功能仿真=行为级仿真=RTL级仿真

而后仿真又可以分为两步,第一步是布线前 仿真,也就是综合后仿真其目的主要是验证逻辑功能是否正确,综合时序是不是正确;第二步是布线后仿真,也就是后仿真=时序仿真=布局布线后仿真=门级仿真,这一级的仿真最接近于芯片,里面加入了线延迟,可见理解方法七的解释。

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