🤖 波形比较与自动化仿真

这一篇在干嘛？

仿真调试最常见的两个痛点：一是「改动之后波形哪里变了看不出来」，二是「每天重复敲同一串命令敲到手酸」。这一篇对应官方 Tutorial 的第 18 章（波形比较）和第 19 章（Tcl/DO 自动化）：波形比较能自动算出两次仿真之间测试信号与参考信号的时序差异；DO 文件则把一串命令打包成脚本，甚至可以完全脱离 GUI 在命令行跑仿真。学完这一篇，你的仿真工作流会从「手工时代」进入「脚本时代」。

波形比较：四步找出两次仿真的差异（对应原文第 18 章）

先记住总流程：四个步骤

波形比较（Waveform Compare）计算测试信号（test signals）与参考信号（reference signals）之间的时序差异。比较波形的一般流程分四步：

选择要比较的仿真或数据集（dataset）；
指定要比较的信号或区域（region）；
运行比较；
查看比较结果。

本节练习的思路是：先运行并保存一次仿真 → 修改一个源文件 → 再跑一次仿真 → 最后比较两次运行的结果。

实验设计

示例设计由一个控制行为级存储器的有限状态机（FSM）组成，测试平台 test_sm 提供激励。QuestaSim 安装自带 Verilog 和 VHDL 两个版本：

Verilog：<install_dir>/examples/tutorials/verilog/compare
VHDL：<install_dir>/examples/tutorials/vhdl/compare

本节用 Verilog 版做练习（有 VHDL license 可改用 VHDL 版），需要区分时文中会分别说明。想深入了解可参阅 User’s Manual 中的 Waveform Compare 与 Recording Simulation Results With Datasets 章节。

第一步：建立参考数据集 gold.wlf

参考数据集（reference dataset）是测试数据集将来要比对的基准，它可以是一个已保存的数据集、当前仿真数据集，或者当前仿真数据集的任意一部分。.wlf 文件就是 QuestaSim 记录仿真结果的波形日志文件。

操作步骤：

新建目录，把示例目录中的所有文件复制进去；
启动 QuestaSim：在 UNIX shell 输入 vsim 或用 Windows 图标（弹出 Welcome 对话框就点 Close），然后 File > Change Directory 切换到新目录；
依次执行以下命令：

Verilog：

vlib work
vlog *.v
vopt +acc test_sm -o opt_test_gold
vsim -wlf gold.wlf opt_test_gold
add wave *
run 750 ns
quit -sim

VHDL：

vlib work
vcom -93 sm.vhd sm_seq.vhd sm_sram.vhd test_sm.vhd
vopt +acc test_sm -o opt_test_gold
vsim -wlf gold.wlf opt_test_gold
add wave *
run 750 ns
quit -sim

关键在 vsim -wlf gold.wlf ...：-wlf 开关让本次仿真的结果保存为名为 gold.wlf 的参考数据集（gold = 黄金参考，硬件圈惯用说法）。

第二步：修改测试平台，生成测试数据集

测试数据集（test dataset）就是将来要和参考数据集比较的那个 .wlf 文件。为了省事，我们直接从刚跑完的仿真出发——但要先编辑测试平台，制造两次运行之间的差异。

Verilog 版：

选择 File > Open 打开 test_sm.v；
在 Source 窗口右键，取消弹出菜单中的 Read Only 勾选，让文件可编辑；
滚动到第 122 行，内容如下：

@ (posedge clk) wt_wd('h10,'haa);

把数据模式 'haa 改成 'hab，即：

@ (posedge clk) wt_wd('h10,'hab);

选择 File > Save 保存文件；
重新编译并重跑仿真：

vlog test_sm.v
vopt +acc test_sm -o opt_test_sm -noincr
vsim opt_test_sm
add wave *
run 750 ns

VHDL 版（编辑 test_sm.vhd）：滚动到第 151 行，把 wt_wd (16#10#, 16#aa#, clk, into); 中的 'aa' 改成 'ab'（即 wt_wd (16#10#, 16#ab#, clk, into);），保存后重新编译：

vcom test_sm.vhd
vopt +acc test_sm -o opt_test_sm
vsim opt_test_sm
add wave *
run 750 ns

第三步：用 Comparison Wizard 执行比较

QuestaSim 自带比较向导（Comparison Wizard）一步步引导你完成配置，你也可以用菜单或命令行手动配置。这里用向导：

a. 选择 Tools > Waveform Compare > Comparison Wizard； b. 点 Browse 按钮，选择 gold.wlf 作为参考数据集——它就是第一次仿真保存的结果：

Comparison Wizard
The first step in creating a comparison is to open the reference and test datasets (.wlf files).
Either dataset can be a saved .wlf file or a dataset that is already opened.
Use the Browse buttons to browse for a saved dataset, or click the down arrow to select a file from the dataset selection history.
Reference Dataset
gold.wlf
Browse...
Test Dataset
Use Current Simulation
Update comparison after each run
Specify Dataset
Browse...
Next >
< Previous
Cancel

c. 测试数据集保持 Use Current Simulation（用当前仿真），点 Next； d. 第二个对话框选择 Compare All Signals（比较所有信号），点 Next：

e. 接下来三个对话框依次点 Next、Compute Differences Now、Finish。

QuestaSim 执行比较，并在 Wave 窗口中显示被比较的信号。对应四步流程：第 1、2 步在向导里完成，第 3 步是 Compute Differences Now，第 4 步马上开始——查看结果。

第四步：查看比较结果

比较数据会显示在 Structure (compare)、Transcript、Objects、Wave 和 List 窗口中。被比较的对象（compare 对象）用黄色三角形标记。

Compare 窗口：显示被比较的区域；
Transcript 窗口：显示参考与测试数据集之间找到的差异总数；
Objects 窗口：当你在 Structure (compare) 窗口选中某个比较对象时，它显示具体的比较差异：

Wave 窗口中的比较信息

Wave 窗口用图形方式清晰呈现比较结果：

路径名列中的时序差异用红色 × 标注：

波形视图中的红色区域就是时序差异所在；
滚动条上的红色线条同样标示差异位置；
被注解（annotated）的差异用蓝色高亮。

Wave 窗口还有六个比较图标，可以在差异之间快速跳转。从左到右依次是：查找第一个差异、查找上一个注解差异、查找上一个差异、查找下一个差异、查找下一个注解差异、查找最后一个差异。这些图标会在所有信号的差异之间循环跳转；只想看某一条选中信号上的差异，用 <tab> 和 <shift>-<tab>。

List 窗口中的比较信息

比较结果也可以在 List 窗口里按表格查看：

a. 在主窗口菜单栏选 View > List； b. 把 Main 窗口 compare 标签里的 test_sm 比较对象拖到 List 窗口； c. 向下滚动窗口。

差异行用黄色高亮标注，被注解过的差异用红色高亮。可以看到从 455000 ps 起，outof 信号的 gold 值是 000000aa，而 sim 值是 000000ab——正是我们改掉的那一个比特：

compare:/test_sm/\rst<>rst\
ps→	delta→	compare:/test_sm/\outof<>outof\（gold）	（sim）	compare:/test_sm/\out_wire<>out_wire\（gold）	（sim）	compare:/test_sm/\clk<>clk\（gold）	（sim）
430000	+0	00000000	00000000	0	0	1	1
431000	+1	00000000	00000000	0	0	1	1
435000	+0	00000000	00000000	0	0	1	1
440000	+0	00000000	00000000	0	0	0	0
450000	+0	00000000	00000000	0	0	1	1
451000	+1	00000000	00000000	0	0	1	1
455000	+0	000000aa	000000ab	0	0	1	1
460000	+0	000000aa	000000ab	0	0	0	0
469000	+1	000000aa	000000ab	0	0	0	0
470000	+0	000000aa	000000ab	0	0	1	1
471000	+1	000000aa	000000ab	0	0	1	1
475000	+0	000000aa	000000ab	0	0	1	1
480000	+0	000000aa	000000ab	0	0	0	0
490000	+0	000000aa	000000ab	0	0	1	1
491000	+1	000000aa	000000ab	0	0	1	1
……（后续行略）

保存与重新加载比较数据

比较数据可以保存下来以后再看——既能存成纯文本报告，也能存成可重新加载回 QuestaSim 的文件。要重新加载，必须保存两个文件：先把计算出的差异存到一个文件，再把比较的配置规则（rules）存到另一个单独的文件；重新加载数据时，必须先打开参考数据集。

把比较数据保存为文本文件： a. 主窗口选择 Tools > Waveform Compare > Differences > Write Report； b. 点 Save——在当前目录保存 compare.txt； c. 在 VSIM> 提示符输入 notepad compare.txt 查看报告：

Notepad
File Edit Window
compare.txt
Total signals compared = 11
Total primary differences = 6
Total secondary differences = 6
Number of primary signals with differences = 4
Diff number 1, From time 135 ns delta 0 to time 155 ns delta 0.
gold:/test_sm/into = 000000aa
sim:/test_sm/into = 000000ab
Diff number 2, From time 135 ns delta 0 to time 155 ns delta 0.
gold:/test_sm/into[0] = 0
sim:/test_sm/into[0] = 1
Diff number 3, From time 171 ns delta 1 to time 191 ns delta 1.
gold:/test_sm/dat = 000000aa
sim:/test_sm/dat = 000000ab
Diff number 4, From time 171 ns delta 1 to time 191 ns delta 1.
gold:/test_sm/dat[0] = 0
sim:/test_sm/dat[0] = 1
Diff number 5, From time 409 ns delta 1 to time 411 ns delta 1.
gold:/test_sm/dat = 000000aa
sim:/test_sm/dat = 000000ab
Diff number 6, From time 409 ns delta 1 to time 411 ns delta 1.
gold:/test_sm/dat[0] = 0
sim:/test_sm/dat[0] = 1
compare.txt

报告一目了然：总共比较了 11 个信号，6 处差异，全部源于 into 信号上 aa 与 ab 的一比特之差。看完关闭 Notepad。

把比较数据保存为可重新加载的文件： a. 选择 Tools > Waveform Compare > Difference > Save，点 Save——在当前目录保存 compare.dif（差异数据）； b. 选择 Tools > Waveform Compare > Rules > Save，点 Save——保存 compare.rul（比较规则）； c. 选择 Tools > Waveform Compare > End Comparison 结束本次比较。

重新加载前，先打开参考数据集

比较结果（.dif）和比较规则（.rul）都依赖参考数据集。重新加载时如果没有先打开 gold.wlf，比较就无法恢复。

重新加载比较数据： a. 在 Structure (sim) 窗口激活的状态下，选择 File > Open； b. 把文件类型切换为 Log Files (*.wlf)：

c. 双击 gold.wlf 打开该数据集； d. 选择 Tools > Waveform Compare > Reload。由于保存时用的是默认文件名，对话框里已自动填好正确的 Waveform Rules 和 Waveform Difference 文件：

e. 点 OK。比较被重新加载，把比较对象拖到 Wave 或 List 窗口即可再次查看差异。

本章收尾

本节结束。继续下一章前需要结束当前仿真并关闭 gold.wlf 数据集：

在 VSIM> 提示符输入 quit -sim；
在 Questa SIM> 提示符输入 dataset close gold。

DO 文件与 Tcl：把重复劳动交给脚本（对应原文第 19 章）

DO 文件为什么值得学

前面的章节里，除了执行几个现成的 DO 文件，我们一直以交互模式使用 QuestaSim：通过 GUI 菜单或主窗口命令行一条条敲命令。但当任务需要反复执行时，DO 文件能大幅提升效率——这就是它 automates 仿真的价值所在：

DO 文件是脚本，一次执行一大批命令；
简单时就是一串带参数的 QuestaSim 命令；复杂时就是完整的 Tcl 程序，能用变量、条件执行等编程结构；
既可以在 GUI 里执行，也可以在系统命令提示符下运行——完全不打开 GUI。

前提

本章假设你已把 <install_dir>/<platform> 目录加入 PATH；否则需要为 vlib、vmap、vlog、vcom、vsim 等工具写完整路径。

FPGA 语境

用安路 TD 做开发时，工程编译靠 IDE 一键完成，但功能仿真回归往往要反复跑。把「编译 + 加载 + 加激励 + 出报告」写成 DO 文件，一次投入，长期复用，这正是工业化验证流程的基础。

手写一个简单的 DO 文件

创建 DO 文件简单到什么程度？在文本文件里敲一组命令就行。本练习创建一个 DO 文件：加载设计、往 Wave 窗口加信号、给信号加激励、推进仿真。此外还可以把保存的 transcript 文件转换成 DO 文件（参阅 GUI Reference Manual 中的 Saving a Transcript File as a DO file）。

切换到 Basic Simulation 一课创建的目录。
创建 DO 文件：选择 File > New > Source > Do 新建，在 Source 窗口输入：

vsim testcounter_opt
add wave count
add wave clk
add wave reset
force -freeze clk 0 0, 1 {50 ns} -r 100
force reset 1
run 100
force reset 0
run 300
force reset 1
run 400
force reset 0
run 200

逐条看懂这些命令：

vsim testcounter_opt：加载优化后的设计；
add wave ...：把 count、clk、reset 三个信号加入 Wave 窗口；
force -freeze clk 0 0, 1 {50 ns} -r 100：制造时钟——在 0 时刻把 clk 强制为 0，50 ns 后变为 1，-r 100 表示每 100 ns 重复一次，即周期 100 ns 的方波；-freeze 表示强制期间信号值被冻结；
force reset 1 / run 100 / force reset 0 / run 300 / ...：一段完整的复位时序——先复位保持 100 ns，释放 300 ns，再复位 400 ns，再释放 200 ns，覆盖复位与正常工作两种情形。

保存文件：File > Save As，文件名填 sim.do，存到当前目录。
执行 DO 文件：在 VSIM> 提示符输入：

do sim.do

QuestaSim 加载设计、执行保存的命令并在 Wave 窗口画出波形：

练习完成后选择 File > Quit 退出 QuestaSim。

命令行模式：不开 GUI 也能仿真

「命令行模式」（command-line mode）指不启动 GUI、直接在 DOS/UNIX 提示符下运行仿真。QuestaSim 的许多命令（vsim、vlib、vlog 等）本身就是独立的可执行文件，可以在系统命令提示符直接调用；还可以在调用仿真器时指定一个包含其他 QuestaSim 命令的 DO 文件。

新建目录，复制以下文件进去：
- /<install_dir>/examples/tutorials/verilog/automation/counter.v
- /<install_dir>/examples/tutorials/verilog/automation/stim.do
（有 VHDL license 的可改用 /<install_dir>/examples/tutorials/vhdl/automation 目录下的 counter.vhd 和 stim.do。）
创建设计库并编译源文件。在第 1 步的新目录里输入： a. vlib work； b. Verilog 输入 vlog counter.v（VHDL 则输入 vcom counter.vhd）。
创建 DO 文件： a. 打开文本编辑器； b. 输入以下内容：

# list all signals in decimal format
add list -decimal *
#change radix to symbolic
radix -symbolic
# read in stimulus
do stim.do
# output results
write list counter.lst
# quit the simulation
quit -f

c. 以 sim.do 为名保存到当前目录。

注意这个 DO 文件的精妙之处：add list -decimal * 把所有信号按十进制记录到 List 窗口；do stim.do 嵌套调用另一个现成的激励 DO 文件；write list counter.lst 把仿真结果输出到文本文件；quit -f 强制退出——一整条「批处理流水线」。

优化 counter 设计单元：

vopt +acc counter -o counter_opt

运行命令行模式仿真：

vsim -c -do sim.do counter_opt -wlf counter_opt.wlf

两个关键参数：-c 指示 QuestaSim 不启动 GUI；-wlf 把仿真结果保存进 WLF 文件——这样之后仍可在 GUI 里查看结果用于调试。

查看 List 输出：打开 counter.lst 查看仿真结果，Verilog 版输出类似下表（VHDL 版可能略有不同）：

counter.lst
0	10	20	30 40
1	ns	/counter/count
2	delta	/counter/clk
3		/counter/reset
4	0 +0	x z 1
5	3 +0	0 z 1
6	50 +0	0 1 1
7	100 +0	0 0 1
8	100 +1	0 0 0
9	150 +0	0 1 0
10	152 +0	1 1 0
11	200 +0	1 0 0
12	250 +0	1 1 0
13	252 +0	2 1 0
14	300 +0	2 0 0
15	350 +0	2 1 0

回 GUI 查看结果。因为结果已保存进 counter_opt.wlf，用 -view 参数调用 VSIM 即可在 GUI 中查看（确认 PATH 环境变量指向当前版本的 QuestaSim）： a. 在提示符输入：

vsim -view counter_opt.wlf

GUI 打开后，主窗口工作区显示名为 counter_opt 的数据集标签（看不到 Objects 窗口就选 View > Objects）：

counter_opt - Default
Instance Design unit
counter counter
y Files counter_opt Objects
Name Value Kind
count 8'h64 Packed Array
clk 1'h0 Net
reset 1'h0 Net

b. 右键 counter 实例选 Add Wave，波形即显示在 Wave 窗口。 8. 看完选择 File > Quit 关闭 QuestaSim。

回归仿真的标准姿势

-c（无界面）跑完仿真 + -wlf 保存结果 + vsim -view xxx.wlf 事后查看，是自动化回归测试的标配组合：跑的时候不占 GUI 资源，出问题了再打开波形细看。

用 Tcl 编程：when + bookmark 自动标注关键波形

前面用的 DO 文件只包含 QuestaSim 命令，但 DO 文件本质上是 Tcl 脚本——所以过程（procedure）、条件运算、数学与三角函数、正则表达式等各种 Tcl 结构都可以用。

本练习写一个简单的 Tcl 脚本：检测信号上的特定值，并在该值出现时自动添加书签（bookmark）来缩放 Wave 窗口。书签可以保存 Wave 窗口的某个缩放范围和滚动位置；脚本还会在主窗口创建名为书签的按钮。

创建脚本： a. 在文本编辑器中打开新文件，输入：

proc add_wave_zoom {stime num} {
echo "Bookmarking wave $num"
bookmark add wave "bk$num" "[expr $stime - 100] [expr $stime + 50]" 0
add button "$num" [list bookmark goto wave bk$num]}

这几行做的事：

定义一个名为 add_wave_zoom 的过程，带两个参数 stime（时间）和 num（编号）；
用 bookmark add wave 创建书签，缩放范围是「当前仿真时间减 100 个时间单位」到「当前仿真时间加 50 个时间单位」（[expr ...] 是 Tcl 的算术表达式求值）；
用 add button 在主窗口加一个按钮，点击即跳转到该书签。

b. 在脚本底部追加：

add wave -r /*
when {clk'event and clk="1"} {
    echo "Count is [exa count]"
    if {[examine count]== "8'h27"} {
    add_wave_zoom $now 1
    } elseif {[examine count]== "8'h47"} {
    add_wave_zoom $now 2
    }
}

这几行做的事：

add wave -r /*：递归地把所有信号加入 Wave 窗口；
when {clk'event and clk="1"}：QuestaSim 的 when 语句——每当 clk 发生事件且变为 1（即时钟上升沿）时，执行花括号里的命令；
每个上升沿用 examine（缩写 exa）读出 count 的当前值并 echo 打印；如果等于 8’h27 就在当前位置建 1 号书签，等于 8’h47 就建 2 号书签——脚本根据仿真内容自动标注了关键时间点，人不用盯着波形找。

c. 以 add_bkmrk.do 为名，把脚本保存到 Basic Simulation 一课创建的目录。

加载 test_counter 设计单元，并确保进制设为二进制： a. 启动 QuestaSim； b. File > Change Directory 切换到保存 DO 文件的目录； c. 在 Questa SIM> 提示符输入 radix -binary； d. 输入：

vsim testcounter_opt

执行 DO 文件并运行： a. 在 VSIM> 提示符输入 do add_bkmrk.do； b. 输入 run 1500 ns。

仿真运行完毕，DO 文件创建了两个书签，并在主窗口工具栏上生成了标注「1」「2」的按钮：

c. 点击这两个按钮，观察 Wave 窗口自动缩放并滚动到 count 等于指定值的时间点； d. 若 Wave 窗口停靠在主窗口内，先点击波形区域使其成为活动窗口，再选 Bookmarks > bk1（未停靠则在 Wave 窗口菜单选）。Wave 窗口会缩放滚动到 count 为 8’h27 的时刻，bk2 同理。

本章收尾

选择 File > Quit 关闭 QuestaSim，本章结束。想继续深挖 Tcl，可参阅 User’s Manual 中的 Tcl and DO Files 章节，以及 Brent B. Welch 的《Practical Programming in Tcl and Tk》。

自测

自测

波形比较的一般流程分哪四步？本例中 Comparison Wizard 的哪些对话框分别对应了这几步？

保存可重新加载的比较数据时必须保存哪两个文件？重新加载前有什么前提条件？

vsim -c -do sim.do counter_opt -wlf counter_opt.wlf 中的 -c 和 -wlf 分别起什么作用？仿真结束后如何回到 GUI 查看保存的结果？

force -freeze clk 0 0, 1 {50 ns} -r 100 是如何产生一个周期 100 ns 时钟的？

脚本里的 when {clk'event and clk="1"} 语句在什么时机触发？触发后脚本利用书签和按钮实现了什么效果？

description	讲解波形比较的四步流程、WLF 数据集对比，以及用 DO 文件、命令行模式与 Tcl 脚本实现仿真自动化。
tags	questasim, fpga仿真

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🤖 波形比较与自动化仿真

波形比较：四步找出两次仿真的差异（对应原文第 18 章）

先记住总流程：四个步骤

实验设计

第一步：建立参考数据集 gold.wlf

第二步：修改测试平台，生成测试数据集

第三步：用 Comparison Wizard 执行比较

第四步：查看比较结果

Wave 窗口中的比较信息

List 窗口中的比较信息

保存与重新加载比较数据

本章收尾

DO 文件与 Tcl：把重复劳动交给脚本（对应原文第 19 章）

DO 文件为什么值得学

手写一个简单的 DO 文件

命令行模式：不开 GUI 也能仿真

用 Tcl 编程：when + bookmark 自动标注关键波形

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