Simulação Funcional usando o ModelSim

Essa página descreve os passos a serem realizados para a simulação funcional no Modelsim de um circuito implementado no Quartus Prime 20.1.1, disponibilizados na nuvem do IFSC.

Antes de acessar o simulador, o circuito deve estar descrito em VHDL utilizando o Quartus Prime, e o este deve ser configurado corretamente.

Configurando o Quartus Prime

Passo 1

Digite o seguinte código VHDL ou seu próprio código e após salvar o projeto faça a Analysis & Synthesis [Crtl+k].

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

entity bin2bcd is
	port (
		A      : in  std_logic_vector (6 downto 0);
		sd, su : out std_logic_vector (3 downto 0)
	);
end entity;

architecture ifsc_v1 of bin2bcd is
	signal A_uns          : unsigned (6 downto 0);
	signal sd_uns, su_uns : unsigned (6 downto 0);

begin
	sd     <= std_logic_vector(resize(sd_uns, 4));
	su     <= std_logic_vector(resize(su_uns, 4));
	sd_uns <= A_uns/10;
	su_uns <= A_uns rem 10;
	A_uns  <= unsigned(A);
end architecture;

Passo 2

Verifique se o caminho para o ModelSim está correto [Tools > Options > General > EDA Tools Options]. O campo Modelsim-Altera deve estar com

/opt/intelFPGA/20.1/modelsim_ae/linuxaloem

Figura 1 - EDA Tools Options Fonte: Elaborado pelo autor.

Passo 3

Verifique se o formato do arquivo de simulação no ModelSim está correto [Assigments > Settings.. > General > EDA Tools Settings ]. O campo Formats da linha Simulation deve estar com

VHDL

Figura 2 - EDA Tools Settings Fonte: Elaborado pelo autor.

Executando o Modelsim

Passo 4

Execute o Modelsim a partir da IDE do Quartus, [Tools > Run Simulation Tool > RTL Simulation]. O Modelsim deverá abrir uma tela semelhante a mostrada abaixo. No painel Libray, clique na caixa [-] na frente da pasta [work] para mostrar a entity e a architecture.

Figura 3 - Modelsim - tela entrada Fonte: Elaborado pelo autor.

Passo 5

Para iniciar o simulador, de um duplo-click sobre o nome da architecture. Abrirá uma nova aba [sim], e o painel de Objects irá mostrar os sinais de entrada, saída e internos do circuito. A tela deverá ficar semelhante a mostrada abaixo. Observe as colunas atentamente.

Figura 4 - Modelsim - tela inicial simulador Fonte: Elaborado pelo autor.

Passo 6

Para inserir os sinais no painel Wave, na aba [sim] de um clique com o botão direito do mouse sobre o nome da Instance e clique em [Add Wave]. Abrirá um novo painel [Wave]. Todos os sinais de entrada e saída (Portas da Entity) serão inseridos no Wave, assim como os sinais internos (declarados como Signal). A tela deverá ficar semelhante a mostrada abaixo.

Figura 5 - Modelsim - tela inicial wave Fonte: Elaborado pelo autor.

Note que a aba [Transcript] mostrará o comando equivalente, que poderá ser utilizado depois para gerar um script de automatização da simulação.

add wave -position insertpoint sim:/bin2bcd/*

Passo 7

Modifique o forma de interpretação das informações mostrados no Wave, selecionando os sinais desejados e clicando com o botão direito do mouse sobre a seleção e clique em [Radix > Unsigned]. Com isso os bits serão interpretados com números inteiros sem sinal.

Passo 8

Defina o valor inicial dos estímulos. No exemplo temos apenas uma entrada, portanto

Figura 6 - Tela do Wave do Modelsim - comando force Fonte: Elaborado pelo autor.

Note que a aba [Transcript] mostrará o comando equivalente, que poderá ser utilizado depois para gerar um script de automatização da simulação.

force -freeze sim:/bin2bcd/A 10#13 0

Passo 9

Execute um passo de simulação. Existem várias formas de executar o Run:

1. No menu execute [Simulate > Run > Run 100]
2. Clique sobre o ícone
3. Digite na aba de Transcript

run

• Em todos os casos serão simulados (por default) 100 ns.
• Se desejar simular um tempo maior, pode repetir várias vezes o comando ou digitar o tempo de simulação após o comando run.

run 13 ps
run 130 ns

• As subunidades de tempo aceitas no Modelsim são:

fs;
ps = 1000 fs;
ns = 1000 ps;
us = 1000 ns; 
ms = 1000 us; 
sec = 1000 ms; 
min = 60 sec; 
hr = 60 min;

Simulação funcional

Passo 10

Após executar diversos comandos force e run, você terá na aba Wave algo como mostrado na figura a seguir. No exemplo é possível mostrar que os valores da entrada binária "A" foram separados em saídas BCD sd e su.

Figura 7 - Modelsim - resultado da simulação Fonte: Elaborado pelo autor.

Os ícones acima do painel Wave são uteis durante a simulação e são utilizados para inspecionar os sinais. Para conhecer os detalhes, leia o Getting Started Using Mentor Graphic’s QuestaSim / ModelSim. Veja especialmente as seções 2.4 Display Waveform, 2.7 Using the Waveform Window (Zooming, Selecting Signals, Using Cursors, Saving and Restoring Waveforms)

Passo 11

Quando o Waveform estiver como deseja, salve essa formatação clicando em [File > Save Format] ou [Ctrl+S]. Esse comando irá salvar os sinais apresentados no Wave em um arquivo wave.do

onerror {resume}
quietly WaveActivateNextPane {} 0
add wave -noupdate -radix unsigned /bin2bcd/A
add wave -noupdate -radix unsigned /bin2bcd/A_uns
add wave -noupdate -radix unsigned /bin2bcd/sd
add wave -noupdate -radix unsigned -childformat {{/bin2bcd/sd_uns(6) -radix unsigned} {/bin2bcd/sd_uns(5) -radix unsigned} {/bin2bcd/sd_uns(4) -radix unsigned} {/bin2bcd/sd_uns(3) -radix unsigned} {/bin2bcd/sd_uns(2) -radix unsigned} {/bin2bcd/sd_uns(1) -radix unsigned} {/bin2bcd/sd_uns(0) -radix unsigned}} -subitemconfig {/bin2bcd/sd_uns(6) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/sd_uns(5) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/sd_uns(4) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/sd_uns(3) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/sd_uns(2) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/sd_uns(1) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/sd_uns(0) {-height 19 -radix unsigned}} /bin2bcd/sd_uns
add wave -noupdate -radix unsigned /bin2bcd/su
add wave -noupdate -radix unsigned -childformat {{/bin2bcd/su_uns(6) -radix unsigned} {/bin2bcd/su_uns(5) -radix unsigned} {/bin2bcd/su_uns(4) -radix unsigned} {/bin2bcd/su_uns(3) -radix unsigned} {/bin2bcd/su_uns(2) -radix unsigned} {/bin2bcd/su_uns(1) -radix unsigned} {/bin2bcd/su_uns(0) -radix unsigned}} -expand -subitemconfig {/bin2bcd/su_uns(6) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/su_uns(5) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/su_uns(4) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/su_uns(3) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/su_uns(2) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/su_uns(1) {-height 19 -radix unsigned} /bin2bcd/su_uns(0) {-height 19 -radix unsigned}} /bin2bcd/su_uns
TreeUpdate [SetDefaultTree]
WaveRestoreCursors {{Cursor 3} {8000000 ps} 0} {{Cursor 4} {13000000 ps} 0}
quietly wave cursor active 1
configure wave -namecolwidth 150
configure wave -valuecolwidth 100
configure wave -justifyvalue left
configure wave -signalnamewidth 1
configure wave -snapdistance 10
configure wave -datasetprefix 0
configure wave -rowmargin 4
configure wave -childrowmargin 2
configure wave -gridoffset 0
configure wave -gridperiod 1
configure wave -griddelta 40
configure wave -timeline 0
configure wave -timelineunits us
update
WaveRestoreZoom {0 ps} {21 us}

Passo 12

Preparando um script de simulação automática. Para repetir de forma automática uma simulação já realizada, selecione os comandos executados e salve como um novo arquivo tb_Bin2bcd.do. Antes de salvar o arquivo apague as linhas de comentário (iniciadas com #), e na linha de compilação, substitua o caminho absoluto do arquivo por um relativo ../../filename.vhd. Também substitua todos os comandos add wave utilizados pelo script do wave.do.

do bin2bcd_run_msim_rtl_vhdl.do
vcom -reportprogress 300 -93 -work work ../../bin2bcd.vhd 
vsim work.bin2bcd(ifsc_v1)
do wave.do
force -freeze sim:/bin2bcd/A 10#45 0, 10#13 8us, 10#97 12us, 10#09 12.2us
run 20 us

Para executar o script, digite apenas

do tb_bin2bcd.do