全平台轻量开源verilog仿真工具iverilog+GTKWave使用教程-FPGA常见问题社区-FPGA CPLD-ChipDebug

全平台轻量开源verilog仿真工具iverilog+GTKWave使用教程

图片[1]-全平台轻量开源verilog仿真工具iverilog+GTKWave使用教程-FPGA常见问题社区-FPGA CPLD-ChipDebug

1. 前言

如果你只是想检查Verilog文件的语法是否有错误,然后进行一些基本的时序仿真,那么Icarus Verilog 就是一个不错的选择。相比于各大FPGA厂商的IDE几个G的大小,Icarus Verilog 显得极其小巧,最新版安装包大小仅有17MB,支持全平台:Windows+Linux+MacOS,并且源代码开源。本文将介绍如何使用Icarus Verilog来进行verilog文件的编译和仿真。

2. 关于 Icarus Verilog

Icarus Verilog是一个轻量、免费、开源的Verilog编译器,基于C++实现,开发者是 Stephen Williams ,遵循 GNU GPL license 许可证,安装文件中已经包含 GTKWave支持Verilog/VHDL文件的编译和仿真,命令行操作方式,类似gcc编译器,通过testbench文件可以生成对应的仿真波形数据文件,通过自带的GTKWave可以查看仿真波形图,支持将Verilog转换为VHDL文件。

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3. iverilog的安装

iverilog安装时,默认会把GTKWave一起安装,用于查看生成的波形图。

iverilog支持Windows、Linux和MacOS三大主流平台,截止2019年12月1日,最新版本v11-20190809下载:

http://bleyer.org/icarus/iverilog-v11-20190809-x64_setup.exe

3.1 Windows下的安装

Windows下直接双击上面下载的安装文件即可,安装完成后安装目录如下:

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3.2 Linux下的安装

Linux下的安装,以Ubuntu 16.04为例,可以通过apt-get直接安装。

  • 安装iverilog: sudo apt-getinstall iverilog
  • 安装GTKWave: sudo apt-getinstall gtkwave

不能成功安装的,尝试更换镜像地址,我使用的是网易的开源镜像地址。

3.3 MacOS下的安装

Mac下的安装可以通过 macports 或者 homebrew 来安装,

通过 Macports 安装:

  • 安装iverilog: 

    sudo ports-d-v install iverilog

  • 安装GTKWave:

     sudo ports-d-v install gtkwave

通过 homebrew 安装:

  • 安装iverilog: 

    brew install icarus-verilog

  • 安装GTKWave: 

    brew install caskroom/cask/gtkwave

3.4 查看是否安装成功

安装成功后,可以通过命令窗口来查看命令所在的路径。

Windows环境可以通过where命令查看安装路径

  1. where iverilog
  2. where vvp
  3. where gtkwave

Linux环境可以通过which命令查看安装路径

  1. which iverilog
  2. which vvp
  3. which gtkwave

4. 基本参数介绍

Icarus Verilog编译器主要包含3个工具:

  • iverilog:用于编译verilog和vhdl文件,进行语法检查,生成可执行文件
  • vvp:根据可执行文件,生成仿真波形文件
  • gtkwave:用于打开仿真波形文件,图形化显示波形

在终端输入 iverilog回车,可以看到常用参数使用方法的简单介绍:

  1. $ iverilog
  2. D:iverilogbiniverilog.exe: no source files.
  3. Usage: iverilog [-EiSuvV] [-B base] [-c cmdfile|-f cmdfile]
  4. [-g1995|-g2001|-g2005|-g2005-sv|-g2009|-g2012] [-g<feature>]
  5. [-D macro[=defn]] [-I includedir]
  6. [-M [mode=]depfile] [-m module]
  7. [-N file] [-o filename] [-p flag=value]
  8. [-s topmodule] [-t target] [-T min|typ|max]
  9. [-W class] [-y dir] [-Y suf] [-l file] source_file(s)
  10. See the man page for details.

下面来详细介绍几个常用参数的使用方法。

4.1 参数-o

这是比较常用的一个参数了,和GCC中-o的使用几乎一样,用于指定生成文件的名称。如果不指定,默认生成文件名为a.out。如:iverilog-o test test.v

4.2 参数-y

用于指定包含文件夹,如果top.v中调用了其他的的.v模块,top.v直接编译会提示

  1. led_demo_tb.v:38: error: Unknownmodule type: led_demo
  2. 2 error(s) during elaboration.
  3. *** These modules were missing:
  4. led_demo referenced 1 times.
  5. ***

找不到调用的模块,那么就需要指定调用模块所在文件夹的路径,支持相对路径和绝对路径。

如:iverilog-y D:/test/demo led_demo_tb.v

如果是同一目录下:iverilog-y./led_demo_tb.v,另外,iverilog还支持Xilinx、Altera、Lattice等FPGA厂商的仿真库,需要在编译时通过-y参数指定库文件的路径,详细的使用方法可以查看官方用户指南:

https://iverilog.fandom.com/wiki/User_Guide

4.3 参数-I

如果程序使用`include语句包含了头文件路径,可以通过-i参数指定文件路径,使用方法和-y参数一样。

如:iverilog-I D:/test/demo led_demo_tb.v

4.4 参数-tvhdl

iverilog还支持把verilog文件转换为VHDL文件,如 iverilog-tvhdl-o out_file.vhd in_file.v

5. Verilog的编译仿真实际应用

新建led_demo.v源文件,内容如下:

  1. module led_demo(
  2. input clk,
  3. input rst_n,
  4. output reg led
  5. );
  6.  
  7. reg [7:0] cnt;
  8.  
  9. always @ (posedge clk)
  10. begin
  11. if(!rst_n)
  12. cnt <= 0;
  13. elseif(cnt >= 10)
  14. cnt <= 0;
  15. else
  16. cnt <= cnt + 1;
  17. end
  18.  
  19. always @ (posedge clk)
  20. begin
  21. if(!rst_n)
  22. led <= 0;
  23. elseif(cnt == 10)
  24. led <= !led;
  25. end
  26. endmodule

功能非常简单,每10个时钟周期,led翻转一次。

仿真testbench文件leddemotb.v,内容如下:

  1. `timescale 1ns/100ps
  2.  
  3. module led_demo_tb;
  4.  
  5. parameter SYSCLK_PERIOD = 10;
  6.  
  7. reg SYSCLK;
  8. reg NSYSRESET;
  9.  
  10. initial
  11. begin
  12. SYSCLK = 1'b0;
  13. NSYSRESET = 1'b0;
  14. end
  15.  
  16. /*iverilog */
  17. initial
  18. begin
  19. $dumpfile("wave.vcd"); //生成的vcd文件名称
  20. $dumpvars(0, led_demo_tb); //tb模块名称
  21. end
  22. /*iverilog */
  23.  
  24. initial
  25. begin
  26. #(SYSCLK_PERIOD * 10 )
  27. NSYSRESET = 1'b1;
  28. #1000
  29. $stop;
  30. end
  31.  
  32. always @(SYSCLK)
  33. #(SYSCLK_PERIOD / 2.0) SYSCLK <= !SYSCLK;
  34.  
  35. led_demo led_demo_ut0 (
  36. // Inputs
  37. .rst_n(NSYSRESET),
  38. .clk(SYSCLK),
  39.  
  40. // Outputs
  41. .led( led)
  42. );
  43.  
  44. endmodule

注意testbench文件中有几行iverilog编译器专用的语句,如果不加的话后面不能生成vcd文件。

  1. initial
  2. begin
  3. $dumpfile("wave.vcd"); //生成的vcd文件名称
  4. $dumpvars(0, led_demo_tb); //tb模块名称
  5. end

5.1 编译

通过 iverilog-o wave led_demo_tb.v led_demo.v命令,对源文件和仿真文件,进行语法规则检查和编译。由于本示例比较简单,只有1个文件,如果调用了多个.v的模块,可以通过前面介绍的-y参数指定源文件的路径,否则编译报错。如果源文件都在同同一个目录,可以直接通过 ./绝对路径的方式来指定。

例如,leddemotb.v中调用了led_demo.v模块,就可以直接使用 iverilog-o wave-y./top.v top_tb.v来进行编译。

如果编译成功,会在当前目录下生成名称为wave的文件。

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5.2 生成波形文件

使用 vvp-n wave-lxt2命令生成vcd波形文件,运行之后,会在当前目录下生成.vcd文件。

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如果没有生成,需要检查testbench文件中是否添加了如下几行:

  1. initial
  2. begin
  3. $dumpfile("wave.vcd"); //生成的vcd文件名称
  4. $dumpvars(0, led_demo_tb); //tb模块名称
  5. end

5.3 打开波形文件

使用命令 gtkwave wave.vcd,可以在图形化界面中查看仿真的波形图。

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6. Verilog转换为VHDL

虽然VHDL和Verilog都诞生于20世纪80年代,而且都属于硬件描述语言(HDL),但是二者的语法特性却不一样。Icarus Verilog 还有一个小功能就是支持把使用Verilog语言编写的.v文件转换为VHDL语言的.vhd文件。

如把leddemo.v文件转换为VHDL文件leddemo.vhd,使用命令 iverilog-tvhdl-o led_demo.vhd led_demo.v

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生成的VHDL文件内容如下:

  1. -- This VHDL was converted fromVerilogusing the
  2. -- IcarusVerilog VHDL CodeGenerator11.0(devel) (s20150603-612-ga9388a89)
  3.  
  4. library ieee;
  5. use ieee.std_logic_1164.all;
  6. use ieee.numeric_std.all;
  7.  
  8. -- GeneratedfromVerilogmodule led_demo (led_demo.v:1)
  9. entity led_demo is
  10. port (
  11. clk : in std_logic;
  12. led : out std_logic;
  13. rst_n : in std_logic
  14. );
  15. end entity;
  16.  
  17. -- GeneratedfromVerilogmodule led_demo (led_demo.v:1)
  18. architecture from_verilog of led_demo is
  19. signal led_Reg : std_logic;
  20. signal cnt : unsigned(7 downto 0); -- Declared at led_demo.v:8
  21. begin
  22. led <= led_Reg;
  23.  
  24. -- Generatedfrom always process in led_demo (led_demo.v:10)
  25. process (clk) is
  26. begin
  27. if rising_edge(clk) then
  28. if(not rst_n) = '1'then
  29. cnt <= X"00";
  30. else
  31. ifResize(cnt, 32) >= X"0000000a"then
  32. cnt <= X"00";
  33. else
  34. cnt <= cnt + X"01";
  35. endif;
  36. endif;
  37. endif;
  38. end process;
  39.  
  40. -- Generatedfrom always process in led_demo (led_demo.v:20)
  41. process (clk) is
  42. begin
  43. if rising_edge(clk) then
  44. if(not rst_n) = '1'then
  45. led_Reg <= '0';
  46. else
  47. ifResize(cnt, 32) = X"0000000a"then
  48. led_Reg <= not led_Reg;
  49. endif;
  50. endif;
  51. endif;
  52. end process;
  53. end architecture;

7. VHDL文件的编译和仿真

如果你还和编译Verilog一样,使用 iverilog led_dmeo.v来编译VHDL文件的话,那么会提示有语法错误,这是正常的,因为Verilog和VHDL是不同的语法规则,不能使用Verilog的标准来检查VHDL文件的语法。需要添加 -g2012参数来对VHDL文件进行编译,如 iverilog-g2012 led_demo.vhd,和Verilog一样,同样也支持Testbech文件的编译和仿真,当然需要编写对应的VHDL Testbench文件。

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8. 批处理文件一键执行

通过批处理文件,可以简化编译仿真的执行过程,直接一键执行编译和仿真。

新建文本文档,输入以下内容:

  1. echo "开始编译"
  2. iverilog -o wave led_demo.v led_demo_tb.v
  3. echo "编译完成"
  4. vvp -n wave -lxt2
  5. echo "生成波形文件"
  6. cp wave.vcd wave.lxt
  7. echo "打开波形文件"
  8. gtkwave wave.lxt

文件扩展名需要更改,Windows系统保存为.bat文件,Linux系统保存为.sh文件。Windows直接双击运行,Linux在终端执行。

9. 总结

从20040706版本,到现在的最新版本20190809,作者还在继续更新,有兴趣的朋友可以研究一下源代码是如何实现语法规则检查的,或者可以尝试编译源码,获得最新的版本。当然,和FPGA厂商的IDE相比,功能还是非常有限,GTKWave界面也比较简陋,如不支持宽度测量等,主要是小巧+全平台支持,可以配合IDE来使用。这个工具还支持主流FPGA厂商的IP核仿真,如Xilinx和Lattice,详细的使用方法可以参考官方使用指南。

10. 参考资料

文章部分内容参考自Icarus Verilog官方网站。

  • iverilog官网:

    http://iverilog.icarus.com/

  • iverilog下载:

    http://bleyer.org/icarus/

  • iverilog用户指南:

    https://iverilog.fandom.com/wiki/User_Guide

  • Github开源地址:

    https://github.com/steveicarus/iverilog

  • GTKWave下载(iverilog已经包含)

    http://gtkwave.sourceforge.net/

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