如何用ModelsimSE仿真IP核-以PLL為例

轉(zhuǎn)載自：http://blog.csdn.net/lg2lh 我們之前介紹了如何使用Modelsim SE進(jìn)行仿真和利用do文件的仿真方法，但是其中待仿真的模塊是我們自己編寫的Verilog模塊，但是在實(shí)際工作中，我們的設(shè)計(jì)中會(huì)經(jīng)常用到FPGA廠商給我們提供的現(xiàn)成模塊—IP核，這些模塊我們看到不到源代碼，只知道IP核的端口信息，當(dāng)我們要仿真的時(shí)候，同樣要向Modelsim提供這些IP核的信息，而FPGA廠商也會(huì)給我們提供相應(yīng)的IP核的編譯庫(kù)文件，我們?nèi)绻O(shè)計(jì)中包含這些IP核，就必須在仿真之前，將這些庫(kù)文件編譯到Moldelsim?的庫(kù)中去。其實(shí)IP核只是我們要添加的其中一種庫(kù)(MegaFunction)，除此之外，我們還需要添加lpm庫(kù)（設(shè)計(jì)中如果調(diào)用了lpm原件，需要添加此庫(kù)），還有原語(yǔ)庫(kù)(primitive)，器件庫(kù)(我們用的是cyclone)，當(dāng)然同一種庫(kù)，還會(huì)分Verilog版和VHDL版。這里只介紹Verilog版相關(guān)庫(kù)文件的添加，VHDL版的，方法類似，大家只需更換相應(yīng)的VHDL編譯文件即可。 1.1.1.建立仿真庫(kù)

我們將IP核等相關(guān)庫(kù)文件編譯到Modelsim中后，以后凡是設(shè)計(jì)中調(diào)用到IP核時(shí)，我們就不用再重復(fù)添加了。我們看一下如何在Modelsim中查看我們已經(jīng)編譯好的庫(kù)，打開modelsim，如下圖，會(huì)默認(rèn)彈出名為library的窗口，窗口中的內(nèi)容就有我們已經(jīng)添加的庫(kù)，一部分是Modelsim自帶的庫(kù)。

下面我們開始準(zhǔn)備添加相關(guān)庫(kù)文件。

第一步，首先在新建一個(gè)文件夾，用來(lái)存放我們編譯后的庫(kù)文件，這里命名為altera_lib，我們這里存放到了“C:modeltech64_10.2c”路徑下，然后在altera_lib下新建四個(gè)文件夾lpm、altera_mf、altera_primitive、cyclone，如下圖，后面我們會(huì)建立四個(gè)對(duì)應(yīng)且相同名稱的庫(kù)。

第二步，建立庫(kù)，我們以添加IP核庫(kù)文件(altera_mf)為例進(jìn)行介紹。首先打開Modelsim，選擇菜單?File—>New—>Library。這里我們介紹一下“庫(kù)”的概念，庫(kù)實(shí)際就用來(lái)存放編譯結(jié)果的一個(gè)文件夾，他最終都和我們實(shí)際硬盤上的物理空間的文件夾是一一對(duì)應(yīng)的，在第五章我們提到過工作庫(kù)(work庫(kù))，存放的是我們自己設(shè)計(jì)文件的編譯結(jié)果。

第三步，彈出新建庫(kù)的窗口，我們選擇第三項(xiàng)“a new library and a logical mapping to it”，即創(chuàng)建一個(gè)新庫(kù)，并映射到我們硬盤的相應(yīng)路徑下。Library Name填寫相應(yīng)的庫(kù)名稱“altera_mf”，Library Physical Name中填寫我們第一步中新建庫(kù)對(duì)應(yīng)文件夾的存放路徑。這里altera_mf對(duì)應(yīng)文件夾路徑為“C:modeltech64_10.2caltera_libaltera_mf”。然后點(diǎn)擊確定。

第四步，在modelsim的library窗口下，大家可以看到新建的altera_mf庫(kù)，不過此時(shí)庫(kù)文件為空的。如下圖。

第五步，編譯相應(yīng)文件到庫(kù)中，我們這里需要將相關(guān)IP核文件編譯到altera_mf庫(kù)中去。菜單欄選擇compile—>compile…，彈出如下窗口，首先選擇待編譯的庫(kù)library，這里選擇我們剛新建的庫(kù)“altera_mf”，然后找到在quartus安裝目錄下，找到Altera提供的關(guān)于altera IP核的編譯文件altera_mf.v，路徑為“altera13.1quartusedasim_lib”。最后點(diǎn)擊compile，完成編譯后，關(guān)閉。此時(shí)可以看到library窗口下，altera_mf庫(kù)不再是一個(gè)空的庫(kù)。

第六步，重復(fù)2-5步，依次建立lpm、altera_primitive、cyclone三個(gè)庫(kù)。對(duì)應(yīng)的編譯文件依次是220model.v(lpm)、altera_primitives.v(altera_primitive)、cycloneiv_atoms.v(cyclone庫(kù)，這里我們只添加了cyclone4的庫(kù)文件)。添加完成后可以在library中看到四個(gè)庫(kù)，如下圖。

第七步，找到Modelsim安裝路徑下的modelsim.ini文件，去除文件的只讀屬性，然后打開， 將上一步中的四個(gè)庫(kù)的名稱及路徑以下圖的方式，添加到57行后。關(guān)閉文件，再設(shè)置為只讀屬性。注意路徑是反斜杠。

至此，我們已經(jīng)將altera相關(guān)的庫(kù)文件添加到了Modelsim SE中了。后面，我們將介紹如何通過do文件啟動(dòng)仿真。

1.1.2.??原理介紹

??????介紹PLL IP核建立之前，我們先講一下PLL的基本原理。PLL是Phase-Locked Loop的縮寫，中文含意為鎖相環(huán)。PLL基本上是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，它可以使PLL輸出與一個(gè)參考信號(hào)保持固定的相位關(guān)系。PLL一般由鑒相器、電荷放大器（Charge Pump）、低通濾波器、（電）壓控振蕩器、以及某種形式的輸出轉(zhuǎn)換器組成。為了使得PLL的輸出頻率是參考時(shí)鐘的倍數(shù)關(guān)系，在PLL的反饋路徑或（和）參考信號(hào)路徑上還可以放置分頻器。PLL的功能示意圖如下圖所示：

首先大家要理解什么是壓控振蕩器(VCO)，壓控振蕩器實(shí)際就是一個(gè)：頻率—電壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)VCO輸入的電壓變化時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出的頻率也會(huì)發(fā)生變化。PLL的工作原理就是將VCO輸出的頻率經(jīng)過分頻器返回到輸入端，將分頻信號(hào)與原始輸入的信號(hào)鑒相，鑒相器輸出又通過電壓放大器和低通濾波器并轉(zhuǎn)換成電壓，這樣就調(diào)整了VCO的輸入電壓，從而調(diào)整了VCO的輸出頻率，然后這樣循環(huán)調(diào)整，最終將輸出頻率鎖定。

1.1.3.??建立IP核

第一步：按照2.4.2節(jié)的方法新建pll_test工程，這里我們就不重復(fù)了，新建好工程以后。選擇菜單欄Tools—>MegaWizard Plug-In Manager。其中MegaWizard就是Quartus的IP核建立向?qū)Чぞ?，我們通過這個(gè)工具建立我們需要的IP核。

第二步：彈出如下對(duì)話框，選擇“Create a new custom megafunction variation”創(chuàng)建一個(gè)新的IP核。點(diǎn)擊Next。

第三步：彈出如下對(duì)話框，首先介紹一下IP核搜索欄，我們可以通過這個(gè)地方快速查找到需要的IP核的位置，我們輸入pll，便可以迅速找到PLL的IP核，ALTPLL，如下圖。這里生成IP核文件，我們選擇為Verilog。

第四步：點(diǎn)擊IP核存放路徑后面的，選擇存放路徑，如下圖，我們存放至src/ip文件夾下，這里必須要在文件名處填寫IP核對(duì)應(yīng)輸出文件的名稱，這里我們定義為pll.v。然后點(diǎn)擊“打開”，回到第三步窗口，繼續(xù)Next。

第五步：此時(shí)會(huì)彈出PLL IP核的配置窗口。首先設(shè)置器件的速度等級(jí)，我們所用器件速度等級(jí)為8。速度等級(jí)數(shù)值越小，對(duì)應(yīng)的FPGA速度越快。然后設(shè)置PLL的輸入頻率，這里我們?cè)O(shè)置為50MHz，其他默認(rèn)。點(diǎn)擊Next。

第六步：彈出如下對(duì)話框，保持默認(rèn)選項(xiàng)，即創(chuàng)建一個(gè)異步輸入信號(hào)，注意這個(gè)復(fù)位信號(hào)是高電平有效的，創(chuàng)建一個(gè)PLL鎖定locked信號(hào)。繼續(xù)Next。

第七步：一直點(diǎn)擊Next，中間過程配置保持默認(rèn)，直到選項(xiàng)卡為Output Clocks—>clk c0時(shí)，表示對(duì)pll輸出時(shí)鐘進(jìn)行配置，clk c0的“use this clock”選項(xiàng)是默認(rèn)選上的。選擇“Enter output clock frequency”，在“Requested Settings”下設(shè)置好期望輸出的時(shí)鐘頻率，這里clk c0設(shè)置為100MHz。然后點(diǎn)擊Next。

第八步：彈出同樣窗口，這里我們需要，手動(dòng)選擇“use this clock”，同樣方法創(chuàng)建clk c1?為40MHz時(shí)鐘，clk c2為10MHz時(shí)鐘。c3、c4不啟用。

第九步：繼續(xù)Next，中間過程保持默認(rèn)，一直到Summary選項(xiàng)下時(shí)，可以選擇實(shí)際輸出的文件，這里pll.v是必須的，這個(gè)文件是將來(lái)我們仿真時(shí)，IP的編譯文件。其次，我們選擇pll_inst文件，這個(gè)文件為pll的例化文件，我們可以直接從該文件中將pll的例化結(jié)果拷貝到相應(yīng)的應(yīng)用邏輯中。最后點(diǎn)擊Finish。

第十步：調(diào)用IP核，首先新建頂層文件，pll_test.v文件，參考src文件夾下源文件。找到src/ip路徑下pll_inst.v文件，打開。將其中的例化例子拷貝至頂層文件中。根據(jù)頂層IO信息調(diào)整pll的例化端口。代碼如下。

1.??module?pll_test

2.??????(

3.???????input????????????????? i_clk??????? ,//模塊輸入時(shí)鐘?,50mhz

4.???????input????????????????? i_rst_n????? ,//復(fù)位信號(hào)，低電平有效

5.???????output???????????????? o_clk_100MHz ,????//100MHz?時(shí)鐘輸出?????

6.???????output???????????????? o_clk_10MHz? ,????//40MHz?時(shí)鐘輸出????????????????????

7.???????output???????????????? o_clk_40MHz? ,????//10MHz?時(shí)鐘輸出

8.???????output???????????????? o_led_done????????//LED亮，時(shí)鐘LOCK????????

9.??????);

10.?????wire?????????????????? w_pll_lock?? ;

11.?????pll?? ??? pll_inst (

12.???.areset?????? ??????????????( !i_rst_n????????? ),

13.???.inclk0???????????????????? ( i_clk???????????? ),

14.???.c0???????????????????????? ( o_clk_100MHz????? ),

15.???.c1???????????????????????? ( o_clk_10MHz?????? ),

16.???.c2???????????????????????? ( o_clk_40MHz?????? ),

17.???.locked???????????????????? ( w_pll_lock??????? )

18.?);

19.?assign????? o_led_done? =!w_pll_lock;? ?????????

20.?endmodule

至此，我們完成了整個(gè)IP核建立及調(diào)用過程，下一節(jié)我們介紹IP核的仿真。

1.1.4.??啟動(dòng)仿真

2.10.1節(jié)中已建立好仿真庫(kù)，以后再仿真任何IP核時(shí)，都不用再重復(fù)2.10.1節(jié)的操作?，F(xiàn)在，我們只需要簡(jiǎn)單修改一下do文件的內(nèi)容，就可以直接通過do文件啟動(dòng)仿真了。下面是本節(jié)的sim.do文件內(nèi)容。

21.?vlib?work

22.?vmap?work work

23.?vlog? ../sim/*.v

24.?vlog? ../src/*.v

25.?vlog? ../src/ip/pll.v

26.?vsim?-t ps?-novopt-L lpm? -L altera_mf -L cyclone?? -L altera_primitive?? work.tb_pll_test

可以看出，本節(jié)的sim.do文件的vsim指令后比我們之前實(shí)驗(yàn)的vsim指令多了幾個(gè)選項(xiàng)-L lpm -L altera_mf -L cyclone-L altera_primitive，這幾個(gè)選項(xiàng)實(shí)際就把我們2.10.1節(jié)中建立的4個(gè)庫(kù)，添加到我們的仿真中去，-L?表示庫(kù)，緊跟著的是相應(yīng)的庫(kù)的名稱。其次-t表示仿真時(shí)間單位，這里我們需要將仿真的時(shí)間單位調(diào)整為ps，否則PLL仿真沒有波形。需要注意的是在編譯IP核的生成文件時(shí)，只編譯pll.v即可，我們之前生成的pll_inst.v文件不要編譯。否則會(huì)報(bào)錯(cuò)。

修改完上述幾項(xiàng)后，我們?cè)匐p擊modelsim_run.bat文件，我們就可以啟動(dòng)仿真，并看到我們的放真波形。