Xilinx Foundation的仿真分析

《现代电子技术》2002年第2期总第133期仿真万测试收稿日期: 2001-10-07Xilinx Foundation的仿真分析An Analysis of Xilinx Foundation Simulation侯晶晶李伟张辉Hou JingjingLi WeiZhang Hui(西安电子科技大学通信工程学院西安710071)(&hol of Teleccommunicati; Engineering. Xidinn University, Xi'an, 710071)摘要以一个双向串并/并 串收发器的实现为例，运用Xilix Foundation对此进行了简易仿真和脚本仿真，并对该两种方法的仿真过程和结果做了介绍和比较。结论表明，脚本仿真无疑是硬件设计过程中一种灵活高效的仿真方法。关键词Xilix Foundation FPGA 脚本仿真双向串并/并串收发器1引盲现代硬件电路的设计广泛采用FPGA/CPLDCAD技术。目前，生产PLD的厂商很多，其PLD产品也很多，因此利用这些产品进行硬件电路设计时的系统工具也各不相同,其中比较典型的就是Xilinx公司的Foundation.一个现代的硬件电路设计大致分为4个阶段:①对系统的功能进行分析，利用原理图或者硬件描述语言表达设计者的意图;②利用仿真工具对设计者的想法进行测试仿真;③生成具体芯片的熔丝图文件;④将此文件下载到PLD设备中，从而实现一个物理的电路系统。因为后两个阶段- -般可由综合工具自动完成，设计者干预甚少,所以整个设计的重心还是在前两个阶段。然而，在稍微复杂一点的电路设计中，设计者不可能一开始就能确保系统在功能上和时序上的正确性，必须借助于仿真工具加以仿真，以便发现设计中的缺陷和错误。因此，如何对所设计的系统方便有效地进行仿真，对于整个系统的实现就显得尤为重要。Xilinx Foundation提供了很多种仿真方法，其中包括键盘激励、格式激励、内部计数器激励以及脚本文件激励。脚本文件的指令主要有3类:激励输人、信号显示和预先仿真。在Foundation软件中，脚本文件支持Viewlogic方式的指令，以及其他Foundation专用指令。由于脚本文件采用指令的方式对系统进行仿真(犹如DOS下的批处理),使得该仿真方式极为灵活;而且脚本文件所支持的指令集异常丰富,设计者可以很方便地对整个仿真过程加以监测和控制。因此，在以上几种方法中，脚本仿真方法不失为一- 种最为灵活有效的方法。下面将以一个典型的双向串并/并串收发器的实现过程来对脚本仿真的方法加以阐述。2双向串并/并串收发器的组成双向串并/并串收发器- -般有以下3个模块组成:串并变换、并串变换以及一个复合选通器。对应实现模块如图1所示。各信号说明如下: SDOUT,串行输出; CLK，比特时钟; RST,复位信号; SDIN,串行输人; EN,输人/输出方向控制; PDATA,双向并行数据。当EN为高时，串并变换开启，同时并串变换被禁止，此时输人的串行数据SDIN经复合选通器以8 B并行数据PDATA输出;当EN为低时,并串变换开启，串并变换禁止,输人并行数据经并串变换后由SDOUT输出。Xilinx Foundation为大部分的芯片系列提供了现成的串并变换和复合选通器模块。为方便，本例中并串变换和串并变换均通过Xilinx的VHDL.文本编辑器自行编辑，因二者的实现都比较简单，在此不再赘述，有兴趣的读者可参阅附录中的有关资料。中国煤化工YHCNMHGXilinx Foundation的仿真分析SDCU"PDeTAZ_O1CIK广ARST才合选消器. 电建uu电并变换的FCATA7:01P CMOPCAT-[.0SOTP22:S2P>“图教良申竹/井申收发器FKRST,EDTNFDATi7. (bin)q 2盟CPDATA7.《Lir1 J098FRILD图2双向串并/并串收发器串并方向仿真波形3双向串并/并串收发器的仿真如前文所述，Xilinx Foundation为系统仿真提供了键盘激励、格式激励、内部计数器徼励以及脚本文件激励等几种方法。为比较，本文在重点阐述脚本仿真的同时，也采用了前面的几种仿真方法对该系统进行仿真。因.Xilinx Foundation为前面的几种仿真提供了比较直观的可视化界面，操作也比较简单，故在此将其统称为简易.仿真。3.1简易仿真在以下的简易仿真中，比特时钟采用内部计数器激励，其他输人信号采用格式激励。为验证整个系统的功能，我们或许先看一下它的串并通路。首先，通过内部二进制计数器给比特时钟加激励信号B0;然后，通过格式编辑器分别为EN, RST, SDIN 加上激励信号FO, F1和F2。以下是其串并方向的仿真波形:由图2可知，在EN为高时，串并通路开启，经SDIN获得8个串行输入比特后，在比特时钟的下一周期将数据在OPDATA以并行向量输出。接下来，我们再对并串通路加以验证，以下是其仿真波形。iPST.EMB1PD.:A?. (b15;50征339bspou:........... u心. ........IPPID图3双向串井/并串收发器并串方向仿真波形由图3可知，在EN为低时，并串通路开启，并在比特时钟CLK的上升沿将接收到的并行数据IPDATA在SDOUT端串行输出。通过对2个图数据的观察和研究，无论在串并通路还是在并串通路，系统的设计都是正确的。但是以上的仿真都只是对整个系统的部分进行了验证，为确保整个系统的实现符合我们的意图，需要将串并通路与并串通路-起加以仿真。同以上的仿真步骤，我们首先给各输人信号加上激励.然后便得到以下的仿真波形。中国煤化工YHCNMHG42《现代电子技术》2002年第2期总第133期仿真马测试BLP24717. (hin1 FRLD.图4申并/并串方向联合仿真波形.图4显示，并串通路同图3一样，系统工作正确;而串并通路的输出并不是所期望的串行输入。回过头来看一下 系统的整体设计图1,并综合图2和图3的仿真，我们注意到复合选通器有一个双向的数据输人/输出接口PDATA.在图2的串并通路仿真中，PDATA作为输出，没有分配激励;在图3并串通路仿真中，它作为输人并分配激励F4.而在图4中，因要同时仿真两路通路，不得不给PDATA端分配激励，于是导致PDATA在串并通路作为输出时其输出信号被所加激励淹没，从而无法获得正确的仿真结果.3.2 脚本仿真一个典型的脚本 仿真文件至少由3部分组成:初始化设置，对仿真的模式和步长加以设置;信号向量的定义，对所要仿真或观察的信号进行定义;激励的分配，为所定义的信号加上合适的激励。本例中，双向串并/并串收发器的仿真脚本由Xilinx Foundation的脚本编辑器(ScriptEditor) 进行编辑，因其为纯文本格式，也可用任何其他文本编辑器进行编辑。仿真文本及简要说明如下:脚本仿真源程序清除波形观察窗口的波形;set - mode timing设置仿真模式为时序仿真;restartstepsize 12800 ns设置仿真步长;vector RST RST定义各信号向量:radix binary RSTvector OPDATA[7:0] OPDATA[7:0]radix binary OPDATA[7:0]ald_ clock CLK 150h50激励分配及仿真;wfm SDIN @Ons = 0 (300ns== 1400ns=0 100ns= 1100ns= 0100ns = 1200ns =0200ns= 1) * 500assign EN 1ald_ wfm RST h50I50h12700sim 3200nsassignEN 0wfm PDATA[7 ;0] @3200ns = fa\H(800ns= mult by 3)*4assign ENwfm PDATA[7 ;0] @9600ns= fe\H(800ns=div by 1)* 80在脚本仿真中，为避免简易仿真中的信号冲突的发生，采用命令行对整个仿真时间轴的各信号的激励分配和仿真步长都做了严格的限制:仅仅在EN为低时才给双向数据端PDATA分配激励，从而避开了EN为高的情况下，PDATA作为输出却附加有激励的问题。由此得到的仿真波形如下。由图5的仿真结果，可以明确地看到，此双向串并/并串收发器在其整体方案的设计和实现上的正确性，从而使得在简易仿真中的疑惑烟消云散。读者需要注意的是，由于该设计中串并变换和并串变换共用.一个使能信号EN进行双路通道的切换，因此在两通路交替工作的变更时刻，数据有可能丢失，对此可以在两路通道的切换边缘设置一个缓冲期。因具体的实现与两路通道数据的优先级有关，故在此不再详述。中国煤化工YHCNMHGXilinx Foundation的仿真分析HsST.D二H10的3 M.....M.M.....M.M....F...esDur.FEDTN.LHCPOAT&:76]图5脚本仿真波形作为一种方便高效的仿真方法，脚本仿真其实包含了简易仿真的各种方法。通过命令行的设置，它支持各种格式激励和内部二进制计数器激励，将以上文本的激励分配替换成如下命令,我们将获得与图4同样的仿真波形。set. . stim F2 SDINset- stim F4 PDATA[7:0]set_ stim F0 ENset. _stim F1 RSTset_ stim BO CLK当然,采用脚本仿真源程序的方式，通过对各激励在时间轴上的合理分配,我们也可由此得到如图5一样的正确波形。4结语通过对双向串并/并串收发器进行简易仿真和脚本仿真的比较,脚本仿真在其灵活性上有较大优势，唯一的缺点是，其命令比较繁多。但是，正是因为它支持的命令比较多而全面，比如它还包含文件激励，中断式仿真以及出错报告等命令，才使得设计者能够更好地控制仿真过程，观察仿真结果，从而使最后的实现真正符合设计者的意图。所以在小型系统设计中，我们或许只需要简易仿真，但若在进行大型系统设计时，采用灵活方便的脚本仿真在整个系统实现中无疑是提高工作效率、缩短开发周期的一个重要环节。参考文献1 FPGA Express VHDL Reference Manual ,December 1997, http://www. synopsys. com2 Attributes ,Constraints and Carrylogic ,October 1997, http ://www. xilinx. com3 Synopsys ,synthesis and simulation design guide , 1997, http ://www. xilinx. com4侯伯享. VHDL.硬件描述语言与数字逻辑电路设计.西安:西安电子科技大学出版社，19975 SIM Macro Assitant ，Help of Script Editor6边计年。用VHDI进行硬件电路设计.北京:清华大学出版社，1999Abstract Presents an example of a two- way serial- in- parallel- out and parallel- in - serial - out transceiver completion,using Xilinx Foundation for a simple simulation and script simulation, the process and results are also compared. It shows thatscript simulation is a very efficacious method in hardware design.Keywords Xilinx Foundation, FPGA, script simulation. two - way serial- in- parallel - out and parallel - in - serial - outtransceiver作者简介侯晶晶女， 1998年获山东大学电子工程专业学士学位，现为西安电子科技大学通信工程专业硕士研究生。目前研究方向为第三代移动通信系统。李伟男，1999年获西安电子科技大学通信工程专业学士学位，现为西安电子科技大学通信与信息系统专业硕士研究生。主要研究方向为数字通信，现从事CableModem研究与开发。张辉男，1982年毕业于西安电子科技大学，现为西中国煤化工号处理和数字通信方面的教学与科研工作。IYHCNMHG44