将陆续上传本人写的新书《自己动手写处理器》（尚未出版），今天是第九篇，我尽量每周四篇

2.8 仿真

      上一节实现了一个简化的处理器取指电路，需要通过仿真以验证其功能是否正确，直观的仿真思路就是：给出一个时钟信号，上述电路会在每个时钟信号上升沿将取指地址加1，同时从指令存储器中取出一条指令，观察取指地址是否依次递增，同时观察取出的指令是否是存储器中取指地址对应的指令，如果都符合，那么上述取指电路就实现正确。此处涉及到两个问题。

      1、如何在指令存储器中存储指令，也就是指令存储器初始化问题。

      2、如何给出时钟信号？

      本节将分别解答上述问题，在此基础上，使用ModelSim进行仿真。

2.8.1 系统函数

      初始化存储器有两种方法，一种是对存储器中每个存储单元依次给出初值，如下。

rom[0] = 32'h00000000;   //存储器rom的第0个元素初始化为0x00000000
rom[1] = 32'h01010101;   //存储器rom的第1个元素初始化为0x01010101
rom[2] = 32'h02020202;   //存储器rom的第2个元素初始化为0x02020202
rom[3] = 32'h03030303;   //存储器rom的第3个元素初始化为0x03030303
......

      另一种方法是使用系统函数$readmemh，这样更加方便，但是后者只能用于仿真中。

      除了$readmemh外，在Verilog HDL中还定义了很多系统函数，比如显示当前仿真时间的函数$time、显示信号值的函数$display、暂停仿真过程的函数$stop、结束仿真过程的函数$finish等。本书主要用到了$stop、$readmemh这两个系统函数。

      1、$stop

      $stop用于对仿真过程进行控制，暂停仿真，其使用格式如下。

$stop();       // 使用格式一，不带参数
$stop(n);      // 使用格式二，带参数n，n可以等于0、1、2等值，含义如下：
               // 0:不输出任何信息；
               // 1：给出仿真时间和位置
               // 2：给出仿真时间和位置，还有其它一些运行统计数据

      当仿真程序执行到$stop语句时，将暂时停止仿真，此时设计者可以输入命令，对仿真器进行交互控制。

      2、$readmemh

      $readmemh函数用于读取文件，其作用是从外部文件中读取数据并放入存储器中。使用格式如下。

$readmemh("数据文件名", 存储对象);

      将第1个参数指定文件的数据读入第2个参数指定的存储器中。例如。

reg[31:0]  rom[63:0];

initial $readmemh ( "rom.data", rom );  // 读入文件rom.data的数据到rom中

00000000
01010101
02020202
03030303
......

      使用$readmemh ( "rom.data", rom )函数后，rom的内容就会初始化为如下。

rom[0]： 32'h00000000;   //存储器rom的第0个元素初始化为0x00000000
rom[1]： 32'h01010101;   //存储器rom的第1个元素初始化为0x01010101
rom[2]： 32'h02020202;   //存储器rom的第2个元素初始化为0x02020202
rom[3]： 32'h03030303;   //存储器rom的第3个元素初始化为0x03030303
......

      回到本节最开始提出的两个问题，现在可以回答第一个问题了，为了实现对指令存储器的初始化，只需要创建一个数据文件，其内容如上面的rom.data所示，然后在指令存储器rom.v中，增加代码$readmemh ("rom.data", rom )即可。完整代码可以参考本书光盘Code\Chapter2目录下的rom.v文件。

2.8.2 Test Bench

      现在回答本节最开始提出的第二个问题，通过创建Test Bench文件以给出时钟信号。

      Test Bench为测试或仿真一个Verilog HDL程序搭建了一个平台，我们给被测试的模块施加激励信号，通过观察被测试模块的输出响应，从而判断其逻辑功能实现的正确与否。如图2-17所示。

      Test Bench的结构如图2-18所示，与2.4节介绍的Verilog HDL模块的结构没有根本区别，但有自身的一些特点。

•  Test Bench只有模块名，没有端口列表；激励信号（输入到待测试模块的信号）必须定义为reg类型，以保持信号值；从待测试模块输出的信号（用户观察的信号）必须定义为wire类型。
•  在Test Bench中要调用被测试模块，也就是元件例化。
•  Test Bench中一般会使用initial、always过程块来定义、描述激励信号。

      为简单取指令电路设计的Test Bench如下，完整代码位于本书光盘Code\Chapter2目录下的inst_fetch_tb.v文件。

module inst_fetch_tb;          // Test Bench名为inst_fetch_tb

/****************************************************************
***********              第一段：数据类型说明             *********
*****************************************************************/

  reg           CLOCK;         // 激励信号CLOCK，这是时钟信号
  reg           rst;           // 激励信号rst，这是复位信号
  wire[31:0]    inst;          // 显示信号inst，取出的指令

/****************************************************************
***********              第二段：激励向量定义             *********
*****************************************************************/

  // 定义CLOCK信号，每隔10个时间单位，CLOCK的值翻转，由此得到一个周期信号。
  // 在仿真的时候，一个时间单位默认是1ns，所以CLOCK的值每10ns翻转一次，对应
  // 就是50MHz的时钟
  initial begin
    CLOCK = 1'b0;
    forever #10 CLOCK = ~CLOCK;
  end
  
  // 定义rst信号，最开始为1，表示复位信号有效，过了195个时间单位，即195ns，
  // 设置rst信号的值为0，复位信号无效，复位结束，再运行1000ns，暂停仿真
  initial begin
    rst = 1'b1;
    #195 rst= 1'b0;
    #1000 $stop;
  end

/****************************************************************
***********             第三段：待测试模块例化            *********
*****************************************************************/

  inst_fetch inst_fetch0(
		.clk(CLOCK),
		.rst(rst),
		.inst_o(inst)	
	);

endmodule

2.8.3 ModelSim仿真

      指令存储器初始化问题解决了、时钟信号也给出了，现在可以使用ModelSim进行仿真了。

      1、建立ModelSim工程

      打开ModelSim，选择File->New->Project，出现新建工程对话框，其中填写工程名，选择保存目录，注意保存目录中不要有中文，如图2-19所示。

      点击OK后，会出现图2-20所示的界面，这里点击Add Existing File，也就是添加已有文件，出现图2-21所示的添加文件对话框。

      点击Browse按钮，出现选择文件对话框，找到本书光盘的Code\Chapter2目录，添加其中所有的.v文件，如图2-22所示。

      选择要添加的文件后，点击“打开”按钮，即完成添加，此时显示图2-23所示界面，在其中选中copy to project directory，这样就会将刚才选中的文件复制到新的工程目录下。

      文件添加完成后，会在ModelSim的主界面中显示所有文件的状态，其中问号表示对应文件没有编译。任意选中一个文件，鼠标右键单击，在弹出菜单中选择Compile->Compile All，即开始编译所有文件，如图2-24所示。稍等几秒钟就编译结束了。编译结束后，所有的文件状态都应该是一个绿色的“√”。

      2、开始仿真

      切换到Library这个Tab，然后展开work目录，在inst_fetch_tb文件上点击右键，在弹出菜单中选择Simulate，如图2-25所示。

      此时会增加一个Tab，名称为sim，展开其中的inst_fetch_tb节点，选择inst_fetch0，会在Objects窗口中显示inst_fetch模块的所有信号，如图2-26所示，如果没有出现Objects窗口，可以通过菜单View->Objects调出该窗口。

      选择Objects窗口中的所有信号，然后点击右键，在弹出菜单中选择Add to->Wave->Selected Signals，如图2-27所示，将所有信号都添加到Wave窗口中。这些都是要观察的信号。如图2-28所示。

      点击工具栏中的Run-All按钮，就可开始仿真，如图2-29所示，仿真结果如图2-30所示。从仿真结果可知，处理器取指令电路实现正确。

2.9 小结

      本章花了比较大的篇幅介绍了可编程逻辑器件的基本知识，以及基于可编程逻辑器件的数字系统设计流程，包括设计输入、综合、布局布线、下载、仿真等几步，这与传统的数字系统设计流程还是有很大不同的。然后介绍了Verilog HDL这样一种硬件编程语言，这也是将要用来实现OpenMIPS处理器的语言。在此基础上，设计实现了一个简化的处理器取指令电路，并使用ModelSim仿真验证该电路实现的正确性。在后期教学版OpenMIPS的设计实现过程中，也主要是使用ModelSim仿真验证，步骤都是一样的。

      从下一次开始，就正式进入OpenMIPS处理器的设计实现阶段了。未完待续！

自己动手写处理器之第二阶段（5）——ModelSim电路仿真