做FPGA样机和做芯片的思路其实是有差异的。为了追求好的性能，节省成本，降低功耗（PPA），芯片设计者往往把事情做到极致，去做验证时把各种覆盖率尽可能做到100%，把每个模块电路结构优化到面积最小，通过Power Gating和Clock Gating等技术把功耗降到最低，争取把每次流片（烧钱）的风险降到最低；相比芯片设计流程，FPGA样机的开发人员往往不太注重上述要求，虽然有着与做芯片相同的目标和追求，但往往因为FPGA的可编程性，即便后续发现问题，也可以通过修改代码再次烧写bit文件的方式来弥补，出错成本相对低了很多。但如果按照做芯片的方式来做FPGA样机，肯定会带来更好的结果，甚至可以大幅度的降低FPGA开发时间。在这个过程中，就需要把常规的做FPGA的方式进行修正，比如经常采用的跟FPGA编译工具联合仿真的办法就不太适合做芯片的验证了。本文就探讨如何把Vivado与ModelSim联合仿真修改为单独采用ModelSim进行仿真。
在本公众号上一篇文章（【干货】推荐一款FPGA仿真调试鸟枪换炮的工具！）中就曾提到，隔行如隔山，做芯片的人永远无法理解只做FPGA样机的人在某些情况下不做仿真就直接上板的做法，非芯片设计出身只做FPGA样机的人也不知道这个世界上还存在更为高效的Verilog或VHDL语言的仿真工具和仿真方法，也不理解为了把一个芯片做到极致，必须严格要求代码规范的做法。为了能够使用上一篇文章中高效的Verdi或者SimVision仿真调试工具，脱离Vivado等仿真工具单独搭建仿真环境的就成为比较急迫的需求了。
本公众号之前也曾经发布过一篇相关的文章，用Modelsim独立仿真带Vivado IP核的仿真工程，也是实现采用ModelSim单独搭建仿真环境的一种方法，但文中所述方法仍未彻底摆脱Vivado的环境，适用的场景也受到限制，某些工程中还会出错。因此，本文从最原始文件搭建仿真环境的思路出发，尝试着研究脱离Vivado单独建仿真环境的过程中都会遇到什么问题，采用什么样的方法比较容易解决，笔者试了好几个工程，总结出一套相对完善的解决思路，来分享给大家。
FPGA开发最不理解的芯片设计中的操作
1、做芯片的仿真最后都不用图形界面
与刚开始做FPGA开发时都在图形界面下操作的仿真方法不同，做大规模芯片设计时的仿真常常不调用图形界面，都是采用命令行的形式做的仿真。
上图就是采用简单的windows下的批处理调用modelsim进行的一个仿真过程，这个简单的批处理，就是脚本。也是本文最终要实现的目标。
set PROJECT_PATH=%cd% ::vsim -do sim.do vsim -c -do sim.do
脚本，是芯片设计人员必须要掌握的基本技能。在芯片设计的各个阶段，脚本的作用是非常巨大的。代码仿真，可以使用脚本来进行仿真环境的搭建，综合的约束文件，必须采用脚本来提前对综合过程中的各种要求进行说明，后端就更不用说了。因为整个芯片的设计流程，每个流程的所有中间信息都是靠文本来储存的，RTL代码，netlist，后端的颜色文件，流片用的GDSII等等，对文本进行随意的操作处理就是一名IC设计人员的基本技能。
如下图就是一个简单的采用NCVerilog进行仿真的脚本。
#!/bin/sh echo "\`include \"../testcase166/$1.v\"" > testcase.v sed "s/\/wave.shm/\/wave$1.shm/g" ../testbench/testbench.v > testbench.tmp cp ../testbench/testbench.v ../testbench/testbench.bak cp testbench.tmp ../testbench/testbench.v rm -f testbench.tmp ncverilog -f ../filelist/filelist.v +access+rwc -l ../log/log/$1.log mv ../testbench/testbench.bak ../testbench/testbench.v rm -f testcase ~
而下图则是一个采用TCL语言描述的Design Complier综合脚本的开头部分。
sh date
remove_design -designs
##########################
#set library #
##########################
set search_path [list /tools/lib/smic25/feview_s/version1/STD/Synopsys \
/tools/lib/smic25/feview_s/version1/STD/Symbol/synopsys]
set target_library { smic25_tt.db }
set link_library { smic25_tt.db }
set symbol_library { smic25.sdb }
##########################
#Paths variables #
##########################
set main_dir ../..
set RTL_ROOT_PATH $main_dir/hdl
set NETLIST_PATH $main_dir/sim/syn/netlist
set RPT_PATH $main_dir/sim/syn/log
set DB_PATH $main_dir/sim/syn/db
set SDF_PATH $main_dir/sim/syn/sdf
##########################
#void warning Info #
##########################
suppress_message VER-130
suppress_message VER-129
suppress_message VER-318
suppress_message ELAB-311
suppress_message VER-936
################################
#read&link&Check design#
################################
2、做芯片的仿真最后都不看波形
在做芯片仿真时，无论是采用自己搭建的简单仿真环境还是UVM的仿真环境，最后的形式常常是把所有的testcase都集中到仿真环境中，只需敲一个命令，回车，所有的testcase就能够全部运行下去。而仿真过程的错误，也都被记录到log文件中，无论是运行的对与错，都可以在log文件中看到。如下图就是所有的testcase截图，每个case运行的结果也会保存到另外一个log目录下。
而FPGA开发人员，则不会去建立如此完善的仿真环境，往往是简单的搭建一个某种功能模式下的仿真环境仿一下过了，就上板了。
采用ModelSim单独仿真
1、整理RTL代码及仿真代码
如果要用ModelSim单独仿真，并且需要搭建类似于上面描述的采用脚本形式来仿真的仿真环境，那么第一步就需要从Vivado工程中把相应的Verilog代码整理出来。
Vivado跟Quartus在仿真时采用的思路是不一样的，对于Quartus而言，你可以很容易就能脱离开Quartus单独搭建一个ModelSim或者VCS的仿真环境，因为Quartus所有的IP核或者原语库之类的内容全部都是以verilog或者VHDL文件存储的，建仿真环境时，只需要到Quartus的安装路径下找一个叫EDA的目录下找sim_lib的子目录下找相应的.v文件添加到仿真工程里就可以了，常见的库文件主要有三个，220model.v，altera_mf.v和cyclone_atoms.v（或者是别的FPGA型号）。见本公众号之前的文章有详细描述：用Quartus II和ModelSim做后仿真（时序仿真）。
在Vivado中也有类似于Quartus中的库文件，在Vivado工程目录下，如下图所示。
然后，整体拷贝ip文件夹到自己想搭建的modesim仿真环境目录下：
上图中rtl文件夹就是自己原来的设计文件，tb则是一些仿真用的.v文件。
2、编写脚本sim.do文件
一个比较简单的modelsim脚本文件如下。
vlib work vlog -f ./rtl.f vsim -novopt work.tb_crossbar_top do wave.do run 10us
上面的脚本的具体含义，大家都可以百度搜索找到。需要说明的是所有工程中的文件的路径是需要写到一个rtl.f的文件夹下的，具体源代码可以参考本公众号之前的文章：如何快速生成Verilog代码文件列表？（内附开源C代码），需要注意的是，生成的文件路径地址中的斜杠与modelsim脚本中要求的斜杠刚好相反，可以直接采用文本编辑器替换掉，也可以添加以下子函数到C代码中简单修改一下。
void xiegang(char* s)
{
int i,j,k;
char buf[800]=" ";
char buf1[800]=" ";
memset(buf,0,800);
memset(buf1,0,800);
strcpy(buf,s);
strcpy(buf1,s);
for(i=0;i<strlen(buf);i++)
{
if(buf[i]=='\\')
{
buf1[i]='/';
}
}
strcpy(s,buf1);
}
上面的C代码实现文件列表的程序，其实也是脚本。
3、注意事项
在实现的过程中，发现Vivado并没有把所有用到的库文件都写成.v的形式，而是以编译库的形式存在。这样就需要在仿真时把对应的库文件包含进去。上面的脚本需要修改为：
vlib work vlog -f ./rtl.f #vsim -novopt work.tb_crossbar_top vsim -gui work.tb_crossbar_top -voptargs="+acc" -L C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/simprims_ver -L C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/unisims_ver do wave.do run 10us
C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/simprims_ver
C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/unisims_ver
两个库都是Vivado与ModelSim联合仿真时ModelSim预先编译好的仿真库，这里面很多都是FPGA上用到的BUFG、PLL等内容。但添加完这些库文件后，还是有错误，具体如下：
经过上网查找原因，发现这是xilinx全局复位的模块。该模块在C:\Xilinx\Vivado\2015.1\data\verilog\src路径其实在上面Error提示的一部分。
于是，自己copy一份glbl.v到当前工程，进行编译。
但还是弹出相同的错误提示。
最后，在tb.v中添加该模块的调用才最终解决问题。
在笔者尝试多个工程之后，发现找Vivado 对应的库实在是太麻烦了，那么多的编译出来的库，每个库也找不到具体解释含义的说明文档。无奈之下，想到了彻底摆脱Vivado的终极解决方案。
出现了找不到某个模块定义的错误之后，就需要尝试着去添加上图中不知道含义的库看能不能解决问题，一个一个的试，一个一个的试，试到怀疑人生。
终极方案
这个终极解决方案就是采用ASIC的思路来替换掉所有的IP。如果考虑最后要做ASIC，那么就需要把设计代码中所有的FGPA IP核或者原语之类的内容全部替换掉，比如FIFO都要修改成控制逻辑加RAM的形式，一些BUFG之类的改善时序或驱动的原语也全部删掉。如果只考虑做仿真，则只需要自己手写一个RAM的行为逻辑，定义一个数组类型，根据输出的时候是否打拍随意的调整。一些FIFO也可以很容易的在网上找到源代码，同步的，异步的，首字置出的FIFO都有。替换干净之后，就跟Vivado没有任何关系了！甚至也跟ModelSim也没有任何关系了，可以随意的更换仿真工具，比如VCS和NC等，彻底的解决问题。
写到此处，想起了一个有趣的事情。据说有一种永远不让代码中出现BUG的终极解决方案。猜猜看是什么。
答案是：不要写一行代码！
这个跟摆脱Vivado单独建仿真环境的终极解决思路竟然高度一致！彻底摆脱Vivado建仿真环境的方法也是，仿真代码中不要用到Vivado中的任何一个IP核！！！
4、覆盖率分析
有了脚本的支持，也脱离掉了Vivado的束缚，就可以做很多自己想做的事情，把仿真环境做成可回归的形式之后就可以做覆盖率分析。这时的脚本就修改成如下的样子。
vlib work vlog -f ../filelist/filelist_sim.v vlog -f ../filelist/filelist_hdl.v -cover bcesxf vsim -novopt -coverage work.TESTBENCH -L C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/simprims_ver -L C:/modeltech64_10.5/vivado_17_2/unisims_ver run -all
大家可能注意到，上面脚本中把filelist分成了两种，一种是仿真的，不用看覆盖率，另外一种则是可综合代码部分，需要看覆盖率，单独写到了filelist_hdl.v的文件里面。
运行结束后，就可以在图形界面上看到覆盖率分析的结果。
随着测试例的运行，上面设计代码的覆盖率也会逐渐提高，最后可以通过选择达不到覆盖率要求的模块进行详细的分析，查看测试例没有运行到的语句。有了充分的仿真验证后，再上板就顺利的多了。至少99%的逻辑BUG都被解决掉了，剩余的就是一些时序方面的问题，这样就可以大大节约FPGA调试的时间。
用做芯片的思路去做FPGA，不是杀鸡用牛刀，而是一种正确的思路。搭建一个完善的仿真验证环境固然麻烦，但一旦做好之后，事半功倍，效率会大幅度的提升。本文中提到的仿真环境仅仅是一种最简单的只有Verilog代码的仿真环境，在验证复杂度和便捷性等方面都差的很远远。公司里面目前采用的办法，往往是大牛们用SV搭建好一个UVM框架后，下面做具体实现的人只需要往对应框里面填数字就可以了。
工欲善其事，必先利其器！做FPGA，仿真验证就是器！
本文在写作工程中还参考了以下网址上的内容，也解决了问题，特此感谢。
https://www.cnblogs.com/demosaic/p/5529870.html
全文完。
