FPGA核心知识详解（3）：那些让FPGA初学者纠结的仿真

　　电子发烧友网核心提示：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，电子发烧友网编辑根据多名在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。若大家有任何需要补充的或本文有任何不当之处，欢迎在评论中加以说明。同时也可加入电子发烧友网FPGA技术交流群（QQ：263281510）跟大家一起探讨，更欢迎大家加入电子发烧友网论坛参与互动。

　　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

　　当用quartus进行仿真时，分为功能仿真（al）和时序仿真（Timing）；

　　当用Modelsim-Altera时，分为功能仿真（RTL）、综合后仿真（post-synthesis）和布局布线仿真（Gate-level）。其中，功能仿真又称为前仿真，布局布线仿真又称为后仿真。

　　注：此处的功能仿真（RTL）与1中的功能仿真（al）是不一样的，前者是HDL级仿真，后者是门级网表的功能仿真。

　　（1）当在quartus中调用Modelsim-Altera进行RTL仿真时（前提是在第三方仿真工具中选择Modelsim-Altera），步骤如下：

　　　　a） 编写源文件和测试文件；

　　　　b） Assignment-》setting-》simulation-》不选中run gate leve simulation.。..。，选中nativelink-》添加测试文件，填写文件名；

　　　　c） start analysis&elabration；

　　　　d） Tools-》start RTL simulation；

　　（2）综合后仿真一般不做。

　　（3）当在quartus中调用Modelsim-Altera进行Gate-level仿真时（前提是在第三方仿真工具中选择Modelsim-Altera），步骤如下：

　　　　a） 编写源文件和测试文件；

　　　　b）Assignment-》setting-》simulation-》选中run gate leve simulation.。..。，选中nativelink-》添加测试文件，填写文件名；

　　　　c）全编译；

　　评价：对于Assignment-》setting-》simulation-》“run gate leve simulation automatically after comlilation”选不选中根本没必要说明，完全可以不用选中，需要在设置处把测试文件testbench添加就可以了（不添加的话到时候 quartus调用出modelsim软件后需要手动添加编译，下面补充了）。如果你想RTL级仿真，那么对于quartus ii只需要进行分析综合就可以，然后点击Tools-》Run EDA Simulation tool-》Run RTL Simulation即可，软件会自动将源文件以及测试文件在modelsim软件里编译，仿真出波形。如果你想Gate-level级仿真，那么对于 quartus ii需要对工程进行全编译，然后点击Tools-》Run EDA Simulation tool-》Run Gate-level Simulation即可，软件会自动将网表文件.vo（verilog输出文件）或.vho（VHDL输出文件）以及测试文件在modelsim软件里编译，并将标准延迟文件SDF（.sdo）添加到modelsim里面，仿真出波形。

　　补充：顺便说一句，如果没有在Assignment-》setting-》simulation把测试文件testbench设置好的话，不论是在RTL还是Gate-level级仿真，调用出modelsim后Quartus只把.vo或.vho文件送到modelsim里编译了，然后都需要手动把testbench编译进去的，并且将在Run Gate-level Simulation仿真的时候，.sdo文件也需要手动添加，相对来说比较麻烦。

　　理解方法二

　　Modelsim-Altera仿真一般分为功能仿真，前仿真（综合后仿真）与后仿真（时序仿真或布局布线后仿真）。

　　根据设计需要，编写完代码（Verilog hdl，Vhdl，system Verilog ）后，首先进行功能仿真，验证所写代码是否能完成设计功能；前仿真又称为综合后仿真，即在QuartusII完成综合后，验证设计的功能；后仿真又称为时序仿真或布局布线后仿真，是加入延时后的仿真。对于编译时间较短的小规模设计，一般只进行功能仿真与后仿真。

　　理解方法三

　　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。

　　理解方法四

　　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。

　　理解方法五

　　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。

　　理解方法六

　　前仿： 针对RTL代码的功能和性能仿真和验证。

　　后仿： 1. pre-layout，这种是综合后仿真，主要是仿综合后的逻辑功能是否正确，综合时序约束是不是都正确。

　　           2. post-layout，这种是布局布线后仿真，因为加入了线延迟信息，所以这一步的仿真和真正芯片的行为最接近，也是用于仿真芯片时序约束是否添加正确，布局布线后是否还满足时序。

　　理解方法七

　　功能仿真对设计输入的功能进行仿真，考虑的是理想化的情况，没有门延迟，没有布线延迟。

　　综合的过程，将设计输入编译成由与、或、非门，RAM，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接，即网表（Netlist），并输出edf、edn等标准格式的网表文件。综合后仿真把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中去，可估计门延时对电路带来的影响。

　　实现与布线，根据所选芯片的型号，将综合输出的逻辑网表适配到具体的FPGA/CPLD上。实现过程中最主要的过程是布局布线（Place and Route）：布局将逻辑单元合理地适配到FPGA内部的固有硬件结构上；布线则根据布局的拓扑结构，利用FPGA内部的各种连线资源，合理正确地连接各个元件。时序仿真将布局布线的延时信息反标注到设计网表中进行仿真。此时的仿真延时文件信息最全，包含门延时和布线延时，所以布线后仿真最准确，能较好地反映芯片的实际工作情况。

　　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。