Лабораторная работа №1 Знакомство с Verilog и симулятором Modelsim

Лабораторная работа №1
Знакомство с Verilog и симулятором Modelsim
Цель работы: получение базовых знаний о структуре программы на Verilog, отладка программы с
помощью симулятора.
Содержание:
Краткие теоретические сведения ............................................................................................................... 1
Простейшая программа на Verilog ......................................................................................................... 1
Основные элементы интерфейса ModelSim .......................................................................................... 2
Создание нового проекта .................................................................................................................... 2
Добавление файлов к проекту ............................................................................................................ 3
Открытие существующих проектов ................................................................................................... 4
Компиляция программы ...................................................................................................................... 5
Моделирование работы программы ................................................................................................... 7
Задание для выполнения ........................................................................................................................... 12
Контрольные вопросы ............................................................................................................................... 13
Требования к оформлению отчета ........................................................................................................... 14
Литература. ................................................................................................................................................. 14
Краткие теоретические сведения
ModelSim — это система HDL-моделирования цифровых устройств
Одна из характерных тенденций современного этапа развития технологии проектирования
цифровых систем — применение языков описания аппаратуры HDL (Hardware Description
Language) высокого уровня, среди которых наибольшее распространение получили VHDL и
Verilog.
При этом не только возрастает роль средств моделирования в процессе разработки
устройств, но и меняются методы и требования, предъявляемые к процедурам верификации. Для
своевременного обнаружения возможных ошибок средства моделирования должны обеспечивать
возможность контроля результатов каждого этапа процесса проектирования: создания исходных
HDL-описаний, синтеза, размещения и трассировки в кристалл. Такой подход обеспечивает
минимальное время разработки устройства и сокращает стоимость этого процесса, так как цена
ошибки возрастает с каждым последующим шагом проектирования.
Пакет программных средств ModelSim™ корпорации Model Technology (одного из
подразделений компании Mentor Graphics) в настоящее время является самой распространенной
системой HDL-моделирования.
Простейшая программа на Verilog
Показанная простейшая программа состоит из ключевых слов module и endmodule,
означающих начало и конец блока языка Verilog. top – имя рассматриваемого модуля.
С помощью утверждения инициализации, определяемого ключевым словом initial , задаются
те инструкции, которые будут выполнены один раз перед началом моделирования работы
программы.
Системное задание $display позволяет вывести на экран сообщение «Hello world!».
module top;
initial $display("Hello world!");
endmodule
Основные элементы интерфейса ModelSim
Создание нового проекта
Для создания проекта необходимо открыть программу и выбрать File→New→Project.
Откроется окно диалога создания проекта. Заполняем необходимые поля:
 Имя проекта (Project Name),
 Путь к проекту (Project Location),
 Название библиотеки, в которую будут компилироваться объекты проекта
(Default Library Name). Для всех задач из курса лабораторных работ досточно
пользоваться именем по умолчанию – work.
После заполнения этих полей нажимаем кнопку ОК.
Добавление файлов к проекту
После создания нового проекта появится диалоговое окно, которое позволяет добавить
файлы к проекту.
Возможны следующие варианты добавляемых файлов:
 Создать новый файл и добавить его в текущий проект (Create New File),
 Добавить существующий файл в проект (Add Existing File),
 Выполнить моделирование библиотечного элемента (Create Simulation).
Если требуется добавить новый файл к проекту, то в появившемся диалогов окне ввести имя
фала (File Name) и отметить тип этого файла (Add file as type).
В итоге всех манипуляций мы должны увидеть окно под названием Project с нашим файлом
внутри:
Это окно является аналогом менеджера проекта, из него можно управлять файлами проекта
и их компиляцией. В нем виден тип файла и его статус, который указывает на то, что есть ошибки
при компиляции, либо их отсутствие или то, что файл изменен и не скомпилирован.
Для редактирования файлов проекта надо два раза щелкнуть на имени файла в окне Project,
после чего откроется окно Source, в котором можно редактировать файл.
Открытие существующих проектов
Для открытия уже существующего проекта надо выбрать File→Open
В открывшемся диалоговом окне в поле Files of type выбрать Project files и из списка имеющихся
файлов проекта выбрать нужный.
Компиляция программы
Перед компиляцией следует сохранить файл (File→Save или просто Ctrl+S).
Для компиляции какого-то конкретного файла проекта нажимаем правой кнопкой на имени
фала, после чего в контекстном меня выбираем Compile→Compile selected.
Для компиляции всех файлов проекта используем меня Compile→Compile All.
Сразу изменится статус нашего файла и в окне Transcript появиться сообщение об ошибках
(если они есть).
Для того, чтобы найти и исправить ошибку щелкаем два раза на сообщении об ошибке.
Увидим окно с описанием и местом ошибки.
Щелкаем по описанию ошибки два раза. Подсветится место ошибки в окне Source.
Судя по описанию ошибки, имеется синтаксическая ошибка. Исправляем, сохраняем файл и
компилируем еще раз. Получаем сообщение зеленым цветом в окне Transcript, компиляция
выполнена успешно.
Моделирование работы программы
Моделирование работы программы можно запустить несколькими путями.
Меню Simulation→Start Simulation откроет окно Start Simulation.
В открывшемся окне, в закладке Design надо выбрать то название библиотеки, в которую
скомпилировались объекты проекта (определяется при создании проекта, обычно work) и в
раскрывшемся выпадающем списке выбрать имя модуля, моделирование которого мы хотим
провести (в нашем примере top).
Нажимаем кнопку ОК.
Рядом с закладкой Project открывается закладка sim.
Нажимаем меню Simulation→Run→Run-All для того, чтобы запустить моделирование на
выполнение.
Результат выполнения в случае нашего примера мы видим в окне Transcript. В нашем случае это
будет печать слов «Hello word!».
В общем случае, в зависимости от настроек, могут быть видны различные окна. Их
расположение можно сохранять и сбрасывать при помощи меню Layout. Все окна можно включить
и выключить через меню View.
Наибольший интерес представляют следующие окна:
 Wave — окно построения временных диаграмм
 Structure — окно структуры проекта, показывает иерархию проекта, при выборе любой
структуры в остальных окнах будут отображаться ее данные
 Objects — окно сигналов, здесь отображаются сигналы выбранного объекта проекта
 Processes — показывает существующие процессы и их статус
 Dataflow — структура процессов, отображает схему протекания данных
В ModelSim поддерживается Drag and Drop, поэтому можно перетаскивать элементы из одного
окна в другое.
Рассмотрим работу с этими окнами на примере более сложного проекта.
Начнем моделирование так же, как и в предыдущем примере. Для ускорения моделирования
симулятор применяет оптимизацию, которая может изменять внутреннюю структуру модуля.
Чтобы увидеть внутренние сигналы модулей откроем окно Optimization options…
и выберем опцию Apply full visibility to all modules (full debug mode) в закладке Visibility.
После нажатия ОК появятся окна, в которых можно будет увидеть значения сигналов в процессе
симуляции (окно Objects).
Временные диаграммы изменения сигналов можно увидеть в окне Wave. Для этого надо
«перетянуть» название сигналов, которые вы хотите увидеть, в окно Wave.
Непосредственно моделирование,
Simulation→Run→Run-All.
как
вы
уже
знаете,
начинается
выбором
опций
Остановить моделирование можно либо нажав кнопку Break либо выбрав меню Simulation→
Break.
Текущее значение сигналов можно увидеть в окне Objects.
Чтобы увидеть временные диаграммы для всего времени моделирования, используется кнопка
Zoom Full.
Для того, чтобы увидеть значения сигналов в какой-то определенный промежуток времени
используют кнопку Zoom Mode и выбирают необходимый временной диапазон в окне Wave с
помощью мыши.
Результат выполнения такого масштабирования виден ниже.
Завершить режим моделирования можно выбрав меню Simulation→ End Simulation.
Задание для выполнения
1. Создать проект в среде Modelsim.
2. Добавить в созданный проект файл со следующей программой и испытательного стенда
к ней:
`timescale 1ns/100ps
module dff(clk, din, dout);
input clk, din;
output dout;
reg
dout;
always @ (posedge clk)
begin
dout <= din;
end
endmodule
module dffr(clk, din, rst_n, dout);
input clk, din, rst_n;
output dout;
reg
dout;
always @ (posedge clk, negedge rst_n)
begin
if ( !rst_n )
dout <= #6 0;
else
dout <= #6 din;
end
endmodule
module top;
reg clk;
reg in_inf;
reg rst_n;
wire out_inf;
//dff D1 (clk, in_inf, out_inf);
dffr D2 (clk, in_inf, rst_n, out_inf);
initial
begin: INIT
clk = 0;
in_inf = 0;
rst_n = 1;
end //INIT
always
begin: GEN1
clk = #15 ~clk;
end //GEN1
always
begin: GEN2
in_inf = #23 ~in_inf;
end //GEN1
always
begin: GEN3
if (0 == rst_n)
rst_n = #3 ~rst_n;
else
rst_n = #40 ~rst_n;
end //GEN1
endmodule
3. Скомпилировать программу и испытательный стенд к ней.
4. Запустить моделирование программы и испытательного стенда.
5. Продемонстрировать временные диаграммы работы испытательного стенда.
Контрольные вопросы
1. В чем состоит сходство между языками программирования и языками описания
аппаратуры?
2. В чем состоит принципиальное различие между языками программирования и языками
описания аппаратуры?
3. Какие языки описания аппаратуры вы знаете?
4. Какие из них получили наибольшее распространение в современной инженерной практике?
5. Какие возможности по моделирования предоставляет среда Modelsim?
Требования к оформлению отчета
Эта лабораторная работа не требует оформления протокола. Для получения оценки
достаточно продемонстрировать следующие умения:
1. Создать проект.
2. Скомпилировать имеющуюся программу и испытательный стенд к ней.
3. Уметь запустить моделирование имеющейся программы и испытательного стенда к ней.
4. Уметь посмотреть текущее состояние сигналов и их временные диаграммы.
Литература.
1. http://model.com/