嵌入式开发之路

✏️ 波形编辑器：不写 Testbench 也能造激励

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description用 Waveform Editor 的向导和编辑工具交互式生成激励波形，还能导出成 Testbench 或 EVCD 文件复用。
tagsquestasim, fpga仿真

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这一篇在干嘛？

还没写 testbench、又想先验证设计功能怎么办？Waveform Editor 可以让你像画图一样，在 Wave 窗口里交互式地「画」出激励波形：用向导生成时钟、常数信号，再手工编辑脉冲和边沿。画完的波形可以直接驱动仿真，还能导出成 HDL testbench 或 EVCD 文件，把激励固化下来复用。

FPGA 语境

这相当于安路 TD 里图形化波形激励工具的思路：不写一行代码就能给设计灌激励，适合在设计初期快速验证计数器、状态机这类模块的基本行为。

本课的设计文件

样例设计还是「Basic Simulation」一课用过的那个 8 位二进制加法计数器。路径如下：

  • Verilog：<install_dir>/examples/tutorials/verilog/basicSimulation
  • VHDL：<install_dir>/examples/tutorials/vhdl/basicSimulation

本评件使用 Verilog 版本；如果你有 VHDL license，请改用 VHDL 版本，必要时文中会区分两种版本的操作。更多信息参阅 User’s Manual 中的 Generating Stimulus with Waveform Editor，以及 GUI Reference Manual 中的 Wave Window。

本课要做的事情：新建目录并拷入 counter 设计单元；不带 testbench 载入设计；用向导创建波形；在 Wave 窗口交互式编辑波形；把波形导出成 HDL testbench 和扩展 VCD 文件；运行仿真；再用导出的 testbench 和 VCD 文件重新仿真。

编译并载入设计

使用 Waveform Editor 之前，先编译并载入一个设计。

不载入设计也能用

你也可以在载入设计之前就使用 Waveform Editor，详见 User’s Manual 中的 Using Waveform Editor Prior to Loading a Design。

  1. 新建一个目录并把教程文件拷进去（新建目录是为了不影响其他人共用这些教程文件）。把 <install_dir>/examples/tutorials/verilog/basicSimulation 下的 counter.v 复制到新目录；如果用 VHDL，则复制 <install_dir>/examples/tutorials/vhdl/basicSimulation 下的 counter.vhd。

  2. 启动 QuestaSIM 并切换到刚才新建的目录：

    • 在 UNIX shell 输入 vsim，或在 Windows 下双击 QuestaSIM 图标；弹出 Welcome to Questa SIM 对话框就点 Close。
    • 选择 File > Change Directory，切换到第 1 步创建的目录。

  3. 创建工作库并编译设计。在 QuestaSIM> 提示符下依次输入：

vlib work
vlog counter.v

VHDL 用户则输入：

vcom counter.vhd

  1. 载入设计单元：

    • 选择 Simulate > Start Simulation，打开 Start Simulation 对话框。
    • 点击 work 库旁边的「+」展开它。
    • 选中 counter 模块。
    • 取消勾选 Enable optimization。
    • 点击 OK。

  2. 打开 Wave 和 Objects 窗口（如果已经开着就跳过）：在 Main 窗口菜单选择 View > Wave，再选择 View > Objects。

用向导生成激励波形

Waveform Editor 内置一个 Create Pattern Wizard（创建波形向导），一步步带你生成可编辑的波形。

生成时钟 clk

  1. 在 Objects 窗口右键 clk 信号，选择 Modify > Apply Wave。

这会打开 Create Pattern Wizard 对话框，让你指定波形类型（Clock、Repeater 等）以及起止时间。

  1. 默认类型就是 Clock，正合需要，直接点击 Next：

Create Pattern Wizard

  1. 在向导第二个对话框里，Initial Value 一栏输入 1，其余保持默认，点击 Finish：

Specifying Clock Pattern Attributes

Wave 窗口里出现了生成的波形：

The clk Waveform

注意波形图标上的小红点和信号名前的「Edit:」前缀——这两个标记表示这是一条可编辑的波形。（建议把 Wave 窗口 undock 出来，看得更清楚。）

生成复位信号 reset

  1. 在 Objects 窗口右键 reset 信号，从弹出菜单选择 Modify > Apply Wave。
  2. 波形类型选 Constant，点击 Next。
  3. Value 一栏输入 0，点击 Finish。

Wave 窗口里出现了第二条生成的波形：

The reset Waveform

在 Wave 窗口里手工编辑波形

Waveform Editor 提供了大量交互式编辑波形的命令（反转、镜像、拉伸边沿、剪切、粘贴等），可以通过菜单、工具栏按钮或键盘鼠标快捷键使用。下面实际操练几个。

给 reset 插入一个脉冲

  1. 点击 Wave 窗口标题栏，让 Wave 窗口成为活动窗口。
  2. 点击工具栏上的 Edit Mode 图标。
  3. 在 Wave 窗口的 Pathnames 列点击 reset 信号，使它被选中。
  4. 点击 Wave Edit Toolbar 上的 Insert Pulse 图标（Wave Edit Toolbar 的详细说明见 GUI Reference Manual）。

也可以在 Wave 窗口里右键 reset 的波形本身（注意不是点路径名或值），选择 Edit > Wave Editor > Insert Pulse。

  1. 在 Edit Insert Pulse 对话框里，Duration 一栏填 100，Time 一栏填 100，点击 OK：
Edit Insert Pulse
Signal NameEdit:/counter/reset
DurationTimeTime Unit
100100ns

现在 reset 信号在 100 ns 到 200 ns 之间变高：

Signal reset with an Inserted Pulse

拉伸 clk 的一个边沿

  1. 在 Pathnames 列点击信号名选中 clk。
  2. 在波形面板里，点击 clk 波形 350 ns 跳变稍偏右的位置，光标应该吸附到 350 ns 的跳变上。如果看不到黄色游标线，在游标时间轴上任意点一下，把游标带进当前视图。
  3. 右键这个跳变，从弹出菜单选择 Wave Editor > Stretch Edge。

如果该命令是灰色的，多半是游标没有停在 350 ns 的边沿上。

  1. 在 Edit Stretch Edge 对话框里，Duration 填 50，确认 Time 一栏显示的是 350，然后点击 OK：

Edit Stretch Edge Dialog Box

波形边沿被拉伸，高电平从 300 ns 一直延续到 400 ns：

Stretching an Edge on the clk Signal

注意区分「拉伸」和「移动」边沿：Stretch 命令在移动一个边沿时会连带移动波形上的其他边沿（要么拉长波形总时长，要么删除仿真起始处的一些边沿）；Move 命令只移动这一个边沿，不影响其他边沿。你可以在 Wave 窗口里看到 clk 的波形现在延伸到了 1050 ns。

删除一个边沿

  1. 点击 clk 波形 400 ns 跳变右侧的位置，光标应吸附到 400 ns。
  2. 点击 Delete Edge 图标：

Delete Edge 图标

这会打开 Edit Delete Edge 对话框，Time 已经自动填好 400 ns，点击 OK。边沿被删除，clk 保持高电平直到 500 ns：

Deleting an Edge on the clk Signal

撤销与重做

  1. 点击 Undo 图标：

Undo 图标

Edit Undo 对话框会让你选择 Undo Count（要撤销的动作数）。保持 Undo Count 为 1，点击 OK，刚才删掉的 400 ns 边沿就回来了。

  1. 重新选中 clk 信号，让 Redo 图标变为可用。
  2. 点击 Redo 图标，在 Edit Redo 对话框里点 OK。

边沿又被删除了。绝大多数编辑操作都可以任意撤销/重做，但有两个例外：扩展全部波形（extend all waves）和改变驱动类型（drive type），这两个操作无法撤销。

保存并复用波形命令

QuestaSIM 生成波形所用的命令可以保存下来，之后随时加载这个「格式」文件重新生成波形。下面把命令存盘，退出并重新载入仿真，再打开格式文件验证。

  1. 把波形命令保存为格式文件：

    • 在菜单栏选择 File > Save Format，打开 Save Format 对话框：

Save Format Dialog Box

  • 默认文件名是 wave.do。
  • 点击 OK，把名为 wave.do 的 DO 文件保存到当前目录。
  • 点击右上角的 Close 图标（x）或通过菜单 View > Wave 关闭 Wave 窗口。

  1. 退出仿真再重新载入设计：

    • 在 Main 窗口选择 Simulate > End Simulation，点击 Yes 确认退出仿真。
    • 在 QuestaSIM> 提示符下输入：
vsim counter

  1. 打开格式文件：

    • 选择 View > Wave 打开 Wave 窗口。
    • 在菜单栏选择 File > Load > Macro File。
    • 双击 wave.do 打开它。

之前创建的波形全部重新出现了。如果波形没有出现，多半是你没有载入 counter 设计单元。

导出创建好的波形

到这里，你可以直接跑仿真，也可以先把画好的波形导出成四种激励文件格式之一。我们先把波形导出，留到本课后半段使用。

导出为 HDL testbench

  1. 选择 File > Export > Waveform。
  2. 选择 Verilog Testbench（用 VHDL 样例文件的话就选 VHDL Testbench）。
  3. 必要时把 End Time 填为 1000。
  4. 在 File Name 一栏输入 export，点击 OK：

The Export Waveform Dialog Box

QuestaSIM 会在当前目录创建 export.v（或 export.vhd）文件，本课后面会编译并仿真它。

导出为扩展 VCD（EVCD）文件

  1. 选择 File > Export > Waveform。
  2. 选择 EVCD File。
  3. 必要时把 End Time 填为 1000，点击 OK。

QuestaSIM 会创建名为 export.vcd 的扩展 VCD 文件，本课后面会导入它。

运行仿真

波形编辑完毕，现在可以跑仿真了。

  1. 添加一个设计信号：

    • 在 Objects 窗口右键 count，选择 Add Wave。

信号被加进 Wave 窗口。

  1. 运行仿真。在 QuestaSIM> 提示符下输入：
run 1000

仿真运行 1000 ns，sim:/counter/count 的波形被画了出来：

The counter Waveform Reacts to Stimulus Patterns

观察 count 在 300 ns 到 500 ns 之间的信号跳变：跳变发生在 clk 变高的时刻，可以看到 count 完全跟着你刚才通过拉伸和删除边沿编辑出来的 clk 波形在走——激励生效了。

  1. 退出仿真：

    • 在 Main 窗口选择 Simulate > End Simulation，点击 Yes 确认；如果询问是否保存波形命令，点 No。

用导出的 testbench 仿真

前面把画好的波形导成了 testbench 文件，现在编译、装载并运行它。

  1. 编译并装载 testbench：

    • 在 QuestaSIM 提示符下输入 vlog export.v（VHDL 用户输入 vcom export.vhd）。

work 库里应该出现一个名为 export 的设计单元：

Library
NameTypePath
workLibraryC:/tutorials/verilog/basicSimulation/work
counterModuleC:\tutorials\verilog\basicSimulation/counter.v
exportModuleC:\tutorials\verilog\basicSimulation/export.v
floatfixlibLibrary$MODEL_TECH/../floatfixlib
mc2_libLibrary$MODEL_TECH/../mc2_lib
mtiAvmLibrary$MODEL_TECH/../avm
mtiOvmLibrary$MODEL_TECH/../ovm-2.0.3
mtiPALibrary$MODEL_TECH/../pa_lib
  • 在 QuestaSIM> 提示符下输入：
vsim -voptargs="+acc" export

  1. 添加波形并运行：

    • 在 VSIM> 提示符下输入 add wave *。
    • 接着输入 run 1000。

Wave 窗口里的波形和上一次练习看到的完全一致：

Wave - Default
Msgs
/export/count8'h07
/export/clk1'h1
/export/reset1'h0
Now1000 ns
Cursor 10 ns

  1. 退出仿真：

    • 在 VSIM> 提示符下输入 quit -sim，点击 Yes 确认。

导入 EVCD 文件

前面还导出了一个扩展 VCD 文件，现在用它来激励 counter 设计单元。

  1. 载入 counter 设计单元并添加波形：

    • 在 QuestaSIM> 提示符下输入：
vsim -voptargs="+acc" counter
  • 在 Objects 窗口右键 count，选择 Add Wave。

  1. 导入 VCD 文件：

    • 确保 Wave 窗口是活动窗口，然后在菜单栏选择 File > Import > EVCD。
    • 双击 export.vcd。

创建好的波形在 Wave 窗口里画了出来：

EVCD File Loaded in Wave Window

  • 点击 Run -All 图标。

仿真运行 1000 ns，sim:/counter/count 的波形被画了出来：

Simulation results with EVCD File

信号自动映射

导入 EVCD 文件时，如果信号名和位宽都匹配，信号映射会自动完成；不匹配就需要手动映射，详见 User’s Manual 中的 Signal Mapping and Importing EVCD Files。

收尾

本课到此结束，结束当前仿真即可：

  1. 在 VSIM> 提示符下输入 quit -sim；如果询问是否保存波形命令，点 No。

自测

关系图谱

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