在Quartus II里仿真Verlog设计
本文介绍Quartus II仿真器的基本特点。演示仿真器如何判断电路的正确性和性能。
目录
l 范例电路
l 使用波形编辑器
l 功能仿真
l 时序仿真
Quartus II软件包含一个仿真器（当然是10.0之前的版本才有J），可用来对在Altera的可编程器件里实现的设计电路做行为和性能仿真。使用测试变量作为输入，观察生成的响应。另外，为了观测I/O引脚的仿真值，可在电路的内部节点添加探针。仿真器使用波形编辑器，便于表达期望的信号。
本文的目标：
l 测试设计电路所需的测试变量
l 使用Quartus II波形编辑器画测试波形
l 功能仿真，验证综合的电路的功能正确否
l 时序仿真，考虑延迟
先决条件
安装Quartus II软件。本文使用9.1版本，其他版本或稍有不同。
1 范例电路
范例使用图1所示的adder/subtractor电路。电路执行加、减运算，并以2的补码形式将n-bit数字累加。2个主要的输入是数字A和B，主要的输出是Z。其他的输入有加减控制信号AddSub，当AddSub=0时，Z=A+B；当AddSub=1时，Z=A-B。另一个输入信号Sel，用来控制累加操作的模式。当Sel=0时，Z=A+-B;当Sel=1时，B加到或从Z中减去。如果加减操作有算术溢出，用输出信号Overflow表示。
为了便于处理异步输入信号，在时钟上升沿将他们加载到触发器。因此，输入A和B加载到寄存器Areg和Breg，而Sel和AddSub各自加载到触发器SelR和AddSubR。电路将结果放到寄存器Zreg。
下面，我们用Verilog代码实现一个16位的加减器电路：
l 创建一个工程addersubtractor.
l 添加addersubtractor.v文件添加到工程，这个文件可在DE2光盘的DE2——tutorials\design_files目录找到。
l 选择目标芯片Cyclone II EP2C35F672C6.
l 编译。
代码：
View Code
1 //Top-level module
2 module addersubtractor(A,B,Clock,Reset,Sel,AddSub,Z,Overflow);
3 parameter n=16;
4 input [n-1:0]A,B;
5 input Clock,Reset,Sel,AddSub;
6 output [n-1:0]Z;
7 output Overflow;
8 reg SelR,AddSubR,Overflow;
9 reg [n-1:0]Areg,Breg,Zreg;
10 wire [n-1:0]G,H,M,Z;
11 wire carryout,over_flow;
12
13 //Define combinational logic circuit
14 assign H=Breg^{n{AddSubR}};
15 mux2to1 multiplexer(Areg,Z,SelR,G);
16 defparam multiplexer.k=n;
17 adderk nbit_adder(AddSubR,G,H,M,carryout);
18 defparam nbit_adder.k=n;
19 assign over_flow=carryout^G[n-1]^H[n-1]^M[n-1];
20 assign Z=Zreg;
21
22 //Define flip-flop and registers
23 always @(posedge Reset or posedge Clock)
24 if(Reset==1)
25 begin
26 Areg<=0;
27 Breg<=0;
28 Zreg<=0;
29 SelR<=0;
30 AddSubR<=0;
31 Overflow<=0;
32 end
33 else
34 begin
35 Areg<=A;
36 Breg<=B;
37 Zreg<=M;
38 SelR<=Sel;
39 AddSubR<=AddSub;
40 Overflow<=over_flow;
41 end
42 endmodule
43
44 //k-bit 2-to-1 multiplexer
45 module mux2to1(V,W,Selm,F);
46 parameter k=8;
47 input [k-1:0]V,W;
48 input Selm;
49 output [k-1:0]F;
50 reg [k-1:0]F;
51
52 always @(V or W or Selm)
53 if(Selm==0)
54 F=V;
55 else
56 F=W;
57 endmodule
58
59 //k-bit adder
60 module adderk(carryin,X,Y,S,carryout);
61 parameter k=8;
62 input [k-1:0]X,Y;
63 input carryin;
64 output [k-1:0]S;
65 output carryout;
66 reg [k-1:0]S;
67 reg carryout;
68
69 always @(X or Y or carryin)
70 {carryout,S}=X+Y+carryin;
71 endmodule
72 2 使用波形编辑器
在仿真之前，要创建一个期望的波形，表示输入信号。也需要指定设计者希望观测的输出信号和电路的内部节点。画波形的方法如下：
1. 打开波形编辑器，File / New，在图3所示的窗口选择Vector Waveform File并单击OK。
图 3
2. 波形编辑窗口如图4所示。以addersubtractor.vwf保存波形文件。注意窗口标题栏的文件名称也随之改变。设置仿真时间为180ns：Edit / End Time / 输入180ns。选择View / Fit in window显示全部仿真时间窗口。
图 4
3. 接下来，添加输入/出信号。单击Edit / Insert Node or Bus打开图6所示的窗口。单击Node Finder打开窗口7.因为要添加输入/出引脚，将filter设为Pins：all。单击List。选定要添加的信号：Clock，Reset，Sel，AddSub，A，B，Z，Overflow。OK。
图 6
图 7
图 8
4. 指定输入信号的逻辑值。输出信号Z和Overflow的值由仿真器自动生成。变量的值设置如图9所示。
使用Overwrite Clock图标
将时钟周期设为20ns。依次设置其他输入信号，设置完毕，如图11所示。
图 10
图 11
5. 为了便于查看，将A，B，Z以有符号的10进制的形式显示。如图12.用Arbitrary Value图标
指定A，B的值，如图13。保存。
图 12
图 13
3. 执行仿真
仿真分为功能仿真和时序仿真。通常，功能仿真用于验证电路的功能是否正确。
3.1 功能仿真
要执行功能仿真，选择Assignment / Settings打开图14所示的设置窗口。指定仿真类型为Functional。在仿真之前，要创建网表，选择Processing / Genereate Functional Simulation Netlist。
选择Processing / Start Simulation或者单击图标
开始仿真。仿真结束，结果如图15.注意最后一个Z值错误，因为算术溢出，所以对应的Overflow为1.
图 14
图 15
上面只仿真了输出信号，同样可以添加电路内部信号，比如寄存器信号，来仿真。只需在添加信号的地方将filter改为Registers: post-fitting即可添加。
3.2 时序仿真
经过功能仿真验证后，可时序仿真查看电路的速度如何。将仿真模式改为Timing。仿真结果如图16.