做FPGA樣機和做芯片的思路其實是有差異的。為了追求好的性能，節省成本，降低功耗（PPA），芯片設計者往往把事情做到極致，去做驗證時把各種覆蓋率盡可能做到100%，把每個模塊電路結構優化到面積最小，通過Power Gating和Clock Gating等技術把功耗降到最低，爭取把每次流片（燒錢）的風險降到最低；相比芯片設計流程，FPGA樣機的開發人員往往不太注重上述要求，雖然有著與做芯片相同的目標和追求，但往往因為FPGA的可編程性，即便后續發現問題，也可以通過修改代碼再次燒寫bit文件的方式來彌補，出錯成本相對低了很多。但如果按照做芯片的方式來做FPGA樣機，肯定會帶來更好的結果，甚至可以大幅度的降低FPGA開發時間。在這個過程中，就需要把常規的做FPGA的方式進行修正，比如經常采用的跟FPGA編譯工具聯合仿真的辦法就不太適合做芯片的驗證了。本文就探討如何把Vivado與ModelSim聯合仿真修改為單獨采用ModelSim進行仿真。

在本公眾號上一篇文章（【干貨】推薦一款FPGA仿真調試鳥槍換炮的工具！）中就曾提到，隔行如隔山，做芯片的人永遠無法理解只做FPGA樣機的人在某些情況下不做仿真就直接上板的做法，非芯片設計出身只做FPGA樣機的人也不知道這個世界上還存在更為高效的Verilog或VHDL語言的仿真工具和仿真方法，也不理解為了把一個芯片做到極致，必須嚴格要求代碼規范的做法。為了能夠使用上一篇文章中高效的Verdi或者SimVision仿真調試工具，脫離Vivado等仿真工具單獨搭建仿真環境的就成為比較急迫的需求了。

本公眾號之前也曾經發布過一篇相關的文章，用Modelsim獨立仿真帶Vivado IP核的仿真工程，也是實現采用ModelSim單獨搭建仿真環境的一種方法，但文中所述方法仍未徹底擺脫Vivado的環境，適用的場景也受到限制，某些工程中還會出錯。因此，本文從最原始文件搭建仿真環境的思路出發，嘗試著研究脫離Vivado單獨建仿真環境的過程中都會遇到什么問題，采用什么樣的方法比較容易解決，筆者試了好幾個工程，總結出一套相對完善的解決思路，來分享給大家。

FPGA開發最不理解的芯片設計中的操作

1、做芯片的仿真最后都不用圖形界面
與剛開始做FPGA開發時都在圖形界面下操作的仿真方法不同，做大規模芯片設計時的仿真常常不調用圖形界面，都是采用命令行的形式做的仿真。

上圖就是采用簡單的windows下的批處理調用modelsim進行的一個仿真過程，這個簡單的批處理，就是腳本。也是本文最終要實現的目標。

set PROJECT_PATH=%cd%
::vsim  -do  sim.do
vsim -c -do  sim.do  

腳本，是芯片設計人員必須要掌握的基本技能。在芯片設計的各個階段，腳本的作用是非常巨大的。代碼仿真，可以使用腳本來進行仿真環境的搭建，綜合的約束文件，必須采用腳本來提前對綜合過程中的各種要求進行說明，后端就更不用說了。因為整個芯片的設計流程，每個流程的所有中間信息都是靠文本來儲存的，RTL代碼，netlist，后端的顏色文件，流片用的GDSII等等，對文本進行隨意的操作處理就是一名IC設計人員的基本技能。

如下圖就是一個簡單的采用NCVerilog進行仿真的腳本。

#!/bin/sh
echo "/`include /"../testcase166/$1.v/"" > testcase.v
sed "s///wave.shm///wave$1.shm/g" ../testbench/testbench.v > testbench.tmp
cp ../testbench/testbench.v ../testbench/testbench.bak
cp testbench.tmp ../testbench/testbench.v
rm -f testbench.tmp

ncverilog -f ../filelist/filelist.v +access+rwc  -l ../log/log/$1.log

mv ../testbench/testbench.bak ../testbench/testbench.v

rm -f testcase
~

而下圖則是一個采用TCL語言描述的Design Complier綜合腳本的開頭部分。

sh date
remove_design -designs 
##########################
#set library             #
##########################
set search_path [list /tools/lib/smic25/feview_s/version1/STD/Synopsys /
                      /tools/lib/smic25/feview_s/version1/STD/Symbol/synopsys]
set target_library  { smic25_tt.db }
set link_library    { smic25_tt.db  }
set symbol_library  { smic25.sdb }


##########################
#Paths    variables      #
##########################
     set main_dir ../..

     set RTL_ROOT_PATH $main_dir/hdl
     set NETLIST_PATH  $main_dir/sim/syn/netlist
     set RPT_PATH      $main_dir/sim/syn/log
     set DB_PATH       $main_dir/sim/syn/db
     set SDF_PATH      $main_dir/sim/syn/sdf

##########################
#void warning Info       #
##########################
suppress_message  VER-130
suppress_message  VER-129
suppress_message  VER-318
suppress_message  ELAB-311
suppress_message  VER-936


################################
#read&link&Check design#
################################

2、做芯片的仿真最后都不看波形

在做芯片仿真時，無論是采用自己搭建的簡單仿真環境還是UVM的仿真環境，最后的形式常常是把所有的testcase都集中到仿真環境中，只需敲一個命令，回車，所有的testcase就能夠全部運行下去。而仿真過程的錯誤，也都被記錄到log文件中，無論是運行的對與錯，都可以在log文件中看到。如下圖就是所有的testcase截圖，每個case運行的結果也會保存到另外一個log目錄下。

而FPGA開發人員，則不會去建立如此完善的仿真環境，往往是簡單的搭建一個某種功能模式下的仿真環境仿一下過了，就上板了。

采用ModelSim單獨仿真

1、整理RTL代碼及仿真代碼

如果要用ModelSim單獨仿真，并且需要搭建類似于上面描述的采用腳本形式來仿真的仿真環境，那么第一步就需要從Vivado工程中把相應的Verilog代碼整理出來。

Vivado跟Quartus在仿真時采用的思路是不一樣的，對于Quartus而言，你可以很容易就能脫離開Quartus單獨搭建一個ModelSim或者VCS的仿真環境，因為Quartus所有的IP核或者原語庫之類的內容全部都是以verilog或者VHDL文件存儲的，建仿真環境時，只需要到Quartus的安裝路徑下找一個叫EDA的目錄下找sim_lib的子目錄下找相應的.v文件添加到仿真工程里就可以了，常見的庫文件主要有三個，220model.v，altera_mf.v和cyclone_atoms.v（或者是別的FPGA型號）。見本公眾號之前的文章有詳細描述：用Quartus II和ModelSim做后仿真（時序仿真）。

在Vivado中也有類似于Quartus中的庫文件，在Vivado工程目錄下，如下圖所示。

然后，整體拷貝ip文件夾到自己想搭建的modesim仿真環境目錄下：

上圖中rtl文件夾就是自己原來的設計文件，tb則是一些仿真用的.v文件。

2、編寫腳本sim.do文件

一個比較簡單的modelsim腳本文件如下。

vlib work
vlog -f  ./rtl.f
vsim -novopt work.tb_crossbar_top
do wave.do
run 10us

上面的腳本的具體含義，大家都可以百度搜索找到。需要說明的是所有工程中的文件的路徑是需要寫到一個rtl.f的文件夾下的，具體源代碼可以參考本公眾號之前的文章：如何快速生成Verilog代碼文件列表？（內附開源C代碼），需要注意的是，生成的文件路徑地址中的斜杠與modelsim腳本中要求的斜杠剛好相反，可以直接采用文本編輯器替換掉，也可以添加以下子函數到C代碼中簡單修改一下。

void xiegang(char* s)
{
int i,j,k;
char buf[800]=" ";
char buf1[800]=" ";
memset(buf,0,800);
memset(buf1,0,800);

strcpy(buf,s);
strcpy(buf1,s);

for(i=0;i {
if(buf[i]=='//')
{
buf1[i]='/';
}
}

strcpy(s,buf1);
}

上面的C代碼實現文件列表的程序，其實也是腳本。

3、注意事項

在實現的過程中，發現Vivado并沒有把所有用到的庫文件都寫成.v的形式，而是以編譯庫的形式存在。這樣就需要在仿真時把對應的庫文件包含進去。上面的腳本需要修改為：

vlib work
vlog -f  ./rtl.f
#vsim -novopt work.tb_crossbar_top
vsim -gui work.tb_crossbar_top -voptargs="+acc" -L C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/simprims_ver -L C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/unisims_ver 
do wave.do
run 10us

C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/simprims_ver

C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/unisims_ver

兩個庫都是Vivado與ModelSim聯合仿真時ModelSim預先編譯好的仿真庫，這里面很多都是FPGA上用到的BUFG、PLL等內容。但添加完這些庫文件后，還是有錯誤，具體如下：

經過上網查找原因，發現這是xilinx全局復位的模塊。該模塊在C:/Xilinx/Vivado/2015.1/data/verilog/src路徑其實在上面Error提示的一部分。

于是，自己copy一份glbl.v到當前工程，進行編譯。

但還是彈出相同的錯誤提示。

最后，在tb.v中添加該模塊的調用才最終解決問題。

在筆者嘗試多個工程之后，發現找Vivado 對應的庫實在是太麻煩了，那么多的編譯出來的庫，每個庫也找不到具體解釋含義的說明文檔。無奈之下，想到了徹底擺脫Vivado的終極解決方案。

出現了找不到某個模塊定義的錯誤之后，就需要嘗試著去添加上圖中不知道含義的庫看能不能解決問題，一個一個的試，一個一個的試，試到懷疑人生。

終極方案

這個終極解決方案就是采用ASIC的思路來替換掉所有的IP。如果考慮最后要做ASIC，那么就需要把設計代碼中所有的FGPA IP核或者原語之類的內容全部替換掉，比如FIFO都要修改成控制邏輯加RAM的形式，一些BUFG之類的改善時序或驅動的原語也全部刪掉。如果只考慮做仿真，則只需要自己手寫一個RAM的行為邏輯，定義一個數組類型，根據輸出的時候是否打拍隨意的調整。一些FIFO也可以很容易的在網上找到源代碼，同步的，異步的，首字置出的FIFO都有。替換干凈之后，就跟Vivado沒有任何關系了！甚至也跟ModelSim也沒有任何關系了，可以隨意的更換仿真工具，比如VCS和NC等，徹底的解決問題。

寫到此處，想起了一個有趣的事情。據說有一種永遠不讓代碼中出現BUG的終極解決方案。猜猜看是什么。

答案是：不要寫一行代碼！

這個跟擺脫Vivado單獨建仿真環境的終極解決思路竟然高度一致！徹底擺脫Vivado建仿真環境的方法也是，仿真代碼中不要用到Vivado中的任何一個IP核！！！

4、覆蓋率分析
有了腳本的支持，也脫離掉了Vivado的束縛，就可以做很多自己想做的事情，把仿真環境做成可回歸的形式之后就可以做覆蓋率分析。這時的腳本就修改成如下的樣子。

vlib work
vlog -f  ../filelist/filelist_sim.v
vlog -f  ../filelist/filelist_hdl.v  -cover bcesxf
vsim -novopt -coverage work.TESTBENCH -L C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/simprims_ver -L C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/unisims_ver 
run -all

大家可能注意到，上面腳本中把filelist分成了兩種，一種是仿真的，不用看覆蓋率，另外一種則是可綜合代碼部分，需要看覆蓋率，單獨寫到了filelist_hdl.v的文件里面。

運行結束后，就可以在圖形界面上看到覆蓋率分析的結果。

隨著測試例的運行，上面設計代碼的覆蓋率也會逐漸提高，最后可以通過選擇達不到覆蓋率要求的模塊進行詳細的分析，查看測試例沒有運行到的語句。有了充分的仿真驗證后，再上板就順利的多了。至少99%的邏輯BUG都被解決掉了，剩余的就是一些時序方面的問題，這樣就可以大大節約FPGA調試的時間。

用做芯片的思路去做FPGA，不是殺雞用牛刀，而是一種正確的思路。搭建一個完善的仿真驗證環境固然麻煩，但一旦做好之后，事半功倍，效率會大幅度的提升。本文中提到的仿真環境僅僅是一種最簡單的只有Verilog代碼的仿真環境，在驗證復雜度和便捷性等方面都差的很遠遠。公司里面目前采用的辦法，往往是大牛們用SV搭建好一個UVM框架后，下面做具體實現的人只需要往對應框里面填數字就可以了。

工欲善其事，必先利其器！做FPGA，仿真驗證就是器！

編輯：hfy