从近似0基础开始FPGA开发 -- part.2 仿真

Testbench的编写在了解了时钟之后为了方便时序概念的建立本章介绍fpga开发过程中的仿真部分。在时钟介绍章节通过将编译完成的bit下载到开发板上观察流水灯闪烁可以判断工程功能的正确性但在复杂的工程中采用硬件调试并不能实现快速定位因此通过仿真工具进行rtl代码功能正确性的验证提升开发效率。Vivado添加仿真文件以时钟章节的工程为例提供一段仿真代码参考timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Company: // Engineer: // // Create Date: 2026/08/20 15:00:36 // Design Name: // Module Name: clk_wizard_TB // Project Name: // Target Devices: // Tool Versions: // Description: // // Dependencies: // // Revision: // Revision 0.01 - File Created // Additional Comments: // ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module clk_wizard_TB; reg sysclk_p; //时钟信号 reg sysclk_n; wire [1:0] up_led; //仿真的 LED 信号 clk_wizard_ip u_clk_wizard_ip( .I_sysclk_p(sysclk_p), .I_sysclk_n(sysclk_n), .O_up_led(up_led) ); initial begin sysclk_p 1b0; sysclk_n 1b1; end /////////////////////////////////////////////////////////////////// // // Clock generation // always #20 sysclk_p ~sysclk_p; //duty cycle 50%, period 20 ns; always #20 sysclk_n ~sysclk_n; Endmodule一个完整的 TB 通常包含以下 5 个核心部分模块声明TB 的模块没有输入输出端口上述代码中的module clk_wizard_TB信号声明定义与 DUT 被测试的设计连接的信号用 reg 给 DUT 提供输入用 wire 接收 DUT 的输出DUT 实例化将你的顶层设计像元器件一样例化进来并连线上述代码中例化了clk_wizard_ip这个模块产生激励使用 initial 或 always 过程块生成时钟、复位和测试数据上述代码中定义sysclk。检查与监控使用 $monitor、$display 打印信息或使用 assert 进行自动比对高级用法完成正确的TB编写后可以看到被测模块在层级上归属到TB文件下一级即被TB调用。通用模板*这里给出一份通用的仿真文件编写模板供参考////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Testbench 模板 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// timescale 1ns / 1ps // 时间单位/精度定义 module tb_example(); // 1. 空模块无端口 // 2. 信号声明 reg clk; // 给 DUT 的输入用 reg reg rst_n; // 给 DUT 的输入用 reg reg data_in; wire data_out; // 接收 DUT 的输出用 wire // ------------------------------------------------------------- // 3. 实例化被测试模块 (DUT) // ------------------------------------------------------------- your_top_module u_dut ( .clk (clk), .rst_n (rst_n), .data_in (data_in), .data_out (data_out) ); // ------------------------------------------------------------- // 4. 产生时钟 (Clock Generation) // ------------------------------------------------------------- // 方法使用 always 反转周期为 10ns (即 100MHz) always #5 clk ~clk; // 每 5ns 反转一次 - 周期 10ns // ------------------------------------------------------------- // 5. 产生激励 (Stimulus) // ------------------------------------------------------------- initial begin // 5.1 初始化所有输入为 0防止仿真出现 X 态 clk 0; rst_n 0; data_in 0; // 5.2 等待时钟稳定释放复位 (通常等 5~10 个周期) repeat(5) (posedge clk); // 等待 5 个上升沿 rst_n 1; // 释放复位 (低有效) // 5.3 注入测试数据 repeat(10) (posedge clk); data_in 1b1; repeat(5) (posedge clk); data_in 1b0; // 5.4 等待一段时间后结束仿真 repeat(20) (posedge clk); $display(Testbench finished successfully.); $finish; // 结束仿真 end // ------------------------------------------------------------- // 6. (可选) 波形转储与实时打印 // ------------------------------------------------------------- initial begin $dumpfile(waveform.vcd); // 生成 VCD 波形文件 $dumpvars(0, tb_example); // 记录所有层级信号 $monitor(Time%0t, clk%b, rst%b, out%b, $time, clk, rst_n, data_out); end endmodule运行仿真在完成仿真工程的构建后通过侧边栏点击Run Behavioral Simulation即可进行rtl功能仿真。附上不同仿真模式的行为差异正常按照行为仿真 - 综合后功能仿真 - 实现后时序仿真的顺序进行当然考虑效率也可以行为仿真完成确认功能无误后直接编bit上板卡调试。Vivado内置的Vivado Simulator界面如下Obeject下会根据选定的层级展示该层级下的所有数字信号通过右键即可添加信号到时序界面。在Vivado Simulator下添加的信号并不会直接展示仿真结果需要在添加完成后重新运行才能看到对应时序结果。而ModelSim添加信号可以实时显示如何安装ModelSim以及配置Vivado调用可以自行百度教程很多。添加全部想要观察的信号后通过工具栏运行/暂停仿真由于TB中没有添加stop语句因此开始运行仿真后会持续运行。在工程代码中led选取的时cnt[25:24]两位在实际仿真中会耗费非常长的等待时间因此可将工程代码中的led赋值改为cnt[5:4]可以快速看到目标信号的翻转。代码中cnt寄存器的累加发生在clk0时钟的上升沿与时序图相对应这里放一组实现后时序仿真的时序图作为对比可以看到信号翻转并不是在基于理想情况下的在时钟上升沿同步翻转这些布局布线导致的时延在复杂工程下就可能会导致竞争冒险。Fin在介绍完了rtl代码的仿真自查后下一篇文章介绍比特流的上板调试以及ila IP的使用这也是一般做FPGA项目开发的流程。