FPGA核心知識詳解（3）：那些讓FPGA初學者糾結的仿真

　　電子發燒友網核心提示：對于FPGA初學者而言，如何正確了解并理解FPGA的仿真是關鍵。應廣大FPGA初學者和愛好者要求，電子發燒友網編輯根據多名在FPGA領域有過多年工作經驗 的前輩介紹，特此為大家整理并分享以下關于FPGA各種仿真的簡潔介紹。若大家有任何需要補充的或本文有任何不當之處，歡迎在評論中加以說明。同時也可加入電子發燒友網FPGA技術交流群（QQ：263281510）跟大家一起探討，更歡迎大家加入電子發燒友網論壇參與互動。

　　初學者學習FPGA，必定會被它的各種仿真弄的暈頭轉向。比如，前仿真、后仿真、功能仿真、時序仿真、行為級仿真、RTL級仿真、綜合后仿真、門級仿真、布局布線后仿真等。

　　Quartus和Modelsim軟件的仿真形式

　　Quartus II有兩種仿真形式：1、功能仿真；2、時序仿真。

　　Quartus II調用Modelsim的兩種仿真形式為：1、RTL級仿真；2、Gate-level仿真。

　　以下內容均經過資料查證，詳細如下：

　　理解方法一

　　當用quartus進行仿真時，分為功能仿真（al）和時序仿真（Timing）；

　　當用Modelsim-Altera時，分為功能仿真（RTL）、綜合后仿真（post-synthesis）和布局布線仿真（Gate-level）。其中，功能仿真又稱為前仿真，布局布線仿真又稱為后仿真。

　　注：此處的功能仿真（RTL）與1中的功能仿真（al）是不一樣的，前者是HDL級仿真，后者是門級網表的功能仿真。

　?。?）當在quartus中調用Modelsim-Altera進行RTL仿真時（前提是在第三方仿真工具中選擇Modelsim-Altera），步驟如下：

　　　　a） 編寫源文件和測試文件；

　　　　b） Assignment-》setting-》simulation-》不選中run gate leve simulation.。..。，選中nativelink-》添加測試文件，填寫文件名；

　　　　c） start analysis&elabration；

　　　　d） Tools-》start RTL simulation；

　?。?）綜合后仿真一般不做。

　?。?）當在quartus中調用Modelsim-Altera進行Gate-level仿真時（前提是在第三方仿真工具中選擇Modelsim-Altera），步驟如下：

　　　　a） 編寫源文件和測試文件；

　　　　b）Assignment-》setting-》simulation-》選中run gate leve simulation.。..。，選中nativelink-》添加測試文件，填寫文件名；

　　　　c）全編譯；

　　評價：對于Assignment-》setting-》simulation-》“run gate leve simulation automatically after comlilation”選不選中根本沒必要說明，完全可以不用選中，需要在設置處把測試文件testbench添加就可以了（不添加的話到時候 quartus調用出modelsim軟件后需要手動添加編譯，下面補充了）。如果你想RTL級仿真，那么對于quartus ii只需要進行分析綜合就可以，然后點擊Tools-》Run EDA Simulation tool-》Run RTL Simulation即可，軟件會自動將源文件以及測試文件在modelsim軟件里編譯，仿真出波形。如果你想Gate-level級仿真，那么對于 quartus ii需要對工程進行全編譯，然后點擊Tools-》Run EDA Simulation tool-》Run Gate-level Simulation即可，軟件會自動將網表文件.vo（verilog輸出文件）或.vho（VHDL輸出文件）以及測試文件在modelsim軟件里編譯，并將標準延遲文件SDF（.sdo）添加到modelsim里面，仿真出波形。

　　補充：順便說一句，如果沒有在Assignment-》setting-》simulation把測試文件testbench設置好的話，不論是在RTL還是Gate-level級仿真，調用出modelsim后Quartus只把.vo或.vho文件送到modelsim里編譯了，然后都需要手動把testbench編譯進去的，并且將在Run Gate-level Simulation仿真的時候，.sdo文件也需要手動添加，相對來說比較麻煩。

　　理解方法二

　　Modelsim-Altera仿真一般分為功能仿真，前仿真（綜合后仿真）與后仿真（時序仿真或布局布線后仿真）。

　　根據設計需要，編寫完代碼（Verilog hdl，Vhdl，system Verilog ）后，首先進行功能仿真，驗證所寫代碼是否能完成設計功能；前仿真又稱為綜合后仿真，即在QuartusII完成綜合后，驗證設計的功能；后仿真又稱為時序仿真或布局布線后仿真，是加入延時后的仿真。對于編譯時間較短的小規模設計，一般只進行功能仿真與后仿真。

　　理解方法三

　　modelsim 是專門進行仿真的軟件，可以分別進行前仿真和后仿真。前仿真也稱為功能仿真，主旨在于驗證電路的功能是否符合設計要求，其特點是不考慮電路門延遲與線延遲，主要是驗證電路與理想情況是否一致?？删C合FPGA代碼是用RTL級代碼語言描述的，其輸入為RTL級代碼與testbench。后仿真也稱為時序仿真或者布局布線后仿真，是指電路已經映射到特定的工藝環境以后，綜合考慮電路的路徑延遲與門延遲的影響，驗證電路能否在一定時序條件下滿足設計構想的過程，是否存在時序違規。其輸入文件為從布局布線結果抽象出來的門級網表、testbench和擴展為sdo或sdf的標準時延文件。sdo、sdf的標準時延文件不僅包含門延遲，還包括實際布線延遲，能較好地反映芯片的實際工作情況。一般來說后仿真是必選的，檢查設計時序與實際的FPGA運行情況是否一致，確保設計的可靠性和穩定性。

　　理解方法四

　　前仿真和后仿真的區別：前仿真就是指綜合前的仿真，也就是行為級的仿真，如你在Modelsim直接寫代碼的仿真。后仿真指的是綜合后的仿真，也就是功能仿真。比如你在Modelsim中用VHDL寫了個計數器，行為級得仿真通過了，你把它加到quartus中或者其他的綜合工具進行綜合，綜合完后生成功能網表，它把行為語言變成寄存器傳送級語言，這時候你把它加到Modelsim中仿真叫后仿真，后仿真成功后，你還要在quartus中進行映射，布局布線，完后進行時序分析，生成時序網表，描述器件里門或者布線的延時，最后把延時網表和功能網表一起加到Modelsim中仿真叫門級仿真。

　　門級仿真和時序仿真的區別：門級仿真是quartus生成的網表文件.vo。門級則不考慮互聯延遲，二只考慮了器件的延遲。時序仿真是選擇具體器件并布局布線后進行的包含定時關系的仿真，主要驗證是否滿足時間約束關系、延時、最大工作頻率和消耗的資源等。時序仿真是需添加時延文件.sdo。

　　理解方法五

　　從廣義上講，仿真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。從仿真的層次上劃分，主要分為：

　　前仿真，也稱為功能仿真或行為級仿真。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；

　　后仿真，也稱為布局布線后仿真或時序仿真。是指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，它是非常接近真實器件運行情況的仿真。 不同的工具和廠商還有一些其他的仿真過程，但大致屬于這兩類。

　　針對FPGA設計的流程，有3個階段可以進行仿真：

　　第一階段是寄存器傳輸級（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）；

　　第二階段是針對特定的FPGA廠家技術的仿真，此級仿真是在綜合后、實現前而進行的功能級仿真，功能級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；

　　第三階段是門級仿真，此級仿真是針對實現后的門級時序進行仿真，門級仿真體現了由于布局布線而產生的實際延時。

　　理解方法六

　　前仿： 針對RTL代碼的功能和性能仿真和驗證。

　　后仿： 1. pre-layout，這種是綜合后仿真，主要是仿綜合后的邏輯功能是否正確，綜合時序約束是不是都正確。

　　?????????? 2. post-layout，這種是布局布線后仿真，因為加入了線延遲信息，所以這一步的仿真和真正芯片的行為最接近，也是用于仿真芯片時序約束是否添加正確，布局布線后是否還滿足時序。

　　理解方法七

　　功能仿真對設計輸入的功能進行仿真，考慮的是理想化的情況，沒有門延遲，沒有布線延遲。

　　綜合的過程，將設計輸入編譯成由與、或、非門，RAM，觸發器等基本邏輯單元組成的邏輯連接，即網表（Netlist），并輸出edf、edn等標準格式的網表文件。綜合后仿真把綜合生成的標準延時文件反標注到綜合仿真模型中去，可估計門延時對電路帶來的影響。

　　實現與布線，根據所選芯片的型號，將綜合輸出的邏輯網表適配到具體的FPGA/CPLD上。實現過程中最主要的過程是布局布線（Place and Route）：布局將邏輯單元合理地適配到FPGA內部的固有硬件結構上；布線則根據布局的拓撲結構，利用FPGA內部的各種連線資源，合理正確地連接各個元件。時序仿真將布局布線的延時信息反標注到設計網表中進行仿真。此時的仿真延時文件信息最全，包含門延時和布線延時，所以布線后仿真最準確，能較好地反映芯片的實際工作情況。

　　以下是個人拙見：從以上分析，我們可以給文章剛開是提到的那九種仿真名詞中的一些畫等號了。

　　前仿真=功能仿真=行為級仿真=RTL級仿真

　　而后仿真又可以分為兩步，第一步是布線前 仿真，也就是綜合后仿真其目的主要是驗證邏輯功能是否正確，綜合時序是不是正確；第二步是布線后 仿真，也就是后仿真=時序仿真=布局布線后仿真=門級仿真，這一級的仿真最接近于芯片，里面加入了線延遲，可見理解方法七的解釋。