第 2 章 Verilog HDL 开发环境搭建【轻量化开发环境】

2.1 Icarus Verilog 安装Icarus Verilog 是Verilog 编译仿真工具提供iverilog编译命令和vvp仿真命令添加环境变量必须勾选 Add executable directories to the user PATH官方网址https://bleyer.org/icarus/打开 cmd 终端 输入以下命令若能正常输出版本信息说明环境配置成功iverilog-v# 验证 Icarus Verilog 安装gtkwave-v# 验证 GTKWave 安装若提示“不是内部或外部命令”手动添加环境变量右键“此电脑”→属性→高级系统设置→环境变量→用户变量→PATH→编辑→添加Icarus Verilog 安装路径例如D:\FPGA_Tools\Icarus\bin重启CMD后重试即可2.1.1 Icarus Verilog 编译和仿真命令在 CMD 终端 执行以下命令# 编译iverilog 设计块文件 激励块文件# 仿真vvp 仿真文件# 查看波形图gtkwave 波形图文件2.2 Verilog 案例设计块激励块分离版【了解即可用于体验开发流程】2.2.1 Icarus Verilog 仿真流程Icarus Verilog 仿真需要二步 iverilog编译→ vvp执行Vivado 仿真需要三步 xvlog编译→ xelab链接→ xsim执行2.2.2 仿真文件仿真文件是编译「设计块激励块」后生成的、可执行文件——它整合了设计块的逻辑和激励块的测试驱动逻辑仿真文件仅用于仿真和 FPGA 烧录的网表文件、芯片综合文件无关唯一作用是运行仿真、生成波形设计块Verilog 里描述具体硬件功能如加法器、计数器的模块有输入输出端口是要被验证的核心对象。激励块TestbenchVerilog 里专门测试设计块的仿真模块无输入输出端口负责给设计块送测试信号、看输出结果。仿真文件的生成条件缺一不可必须同时输入「设计块激励块」仅设计块无法生成有效仿真文件必须指定**「顶层模块」**作为仿真的“入口”2.2.3 目录文件结构Verilog_Counter/ ├─ seq_0101.v // 设计块纯硬件逻辑 └─ tb_seq_0101.v // 激励块纯仿真逻辑2.2.4 设计块文件seq_0101.v带保护仅包含硬件可实现的逻辑无任何仿真专用语句可直接用于FPGA综合设计块保护SEQ_0101_V 防止 seq_0101 模块被重复定义// 防止seq_0101模块被重复定义 ifndef SEQ_0101_V // 检查SEQ_0101_V是否未定义 define SEQ_0101_V // 第一次包含时定义该标识符 timescale 1ns/1ps // 时序基准与激励块统一 module seq_0101( input clk, // 系统时钟5ns周期 input rst_n, // 低电平有效同步复位 output seq_out // 0101...交替序列输出 ); // 寄存器赋初始值避免仿真初始x reg seq_reg 1b0; // 时序逻辑逐时钟翻转持续输出0101... always (posedge clk) begin if(!rst_n) begin seq_reg 1b0; // 复位回到初始值0 end else begin seq_reg ~seq_reg; // 每时钟翻转0→1→0→1... end end // 序列输出赋值 assign seq_out seq_reg; endmodule endif // SEQ_0101_V 保护块结束2.2.5 激励块文件tb_seq_0101.v带保护 包含设计块仅包含仿真逻辑负责给设计块送测试信号、控制台输出、生成波形图无硬件逻辑激励块保护TB_SEQ_0101_V 防止激励模块被重复定义// 防止tb_seq_0101模块被重复定义 ifndef TB_SEQ_0101_V // 检查TB_SEQ_0101_V是否未定义 define TB_SEQ_0101_V // 第一次包含时定义该标识符 // 包含设计块即使多次包含seq_0101.v的保护块会避免重复 include ./seq_0101.v timescale 1ns/1ps module tb_seq_0101; // 1. 激励信号定义 reg clk 1b0; reg rst_n 1b0; wire seq_out; // 2. 例化设计块 seq_0101 u_seq_0101( .clk (clk), .rst_n (rst_n), .seq_out (seq_out) ); // 3. 生成时钟5ns翻转10ns周期 always #5 clk ~clk; // 4. 仿真逻辑 initial begin // 波形文件生成 $dumpfile(tb_seq_0101.vcd); $dumpvars(0, tb_seq_0101); // 保存所有层级信号 // 控制台输出ps单位时间准确 $monitor(Time%0t ps: seq_out%b, $time, seq_out); // 激励流程复位20ns → 持续输出0101... rst_n 1b0; #20; // 复位20ns20000ps rst_n 1b1; #180; // 运行180ns总200ns200000ps $finish; end endmodule endif // TB_SEQ_0101_V 保护块结束设计块 seq_0101.v 和激励块 tb_seq_0101.v 都加上 ifndef 条件编译保护彻底避免 “重复包含 / 重复定义” 错误同时保持代码可复用性设计块保护标识符SEQ_0101_V模块名 _V大写避免和变量重名激励块保护标识符TB_SEQ_0101_V激励模块名 _V保护块标识符要唯一不同模块用不同的标识符避免冲突保护块的作用范围seq_0101.v保护整个 seq_0101 模块即使被多次 include也只会编译一次tb_seq_0101.v保护整个激励模块同时包含设计块时设计块的保护块会自动防止重复定义。2.2.6 编译# 方式 1编译时指定两个文件# 1. 编译编译通过后会生成仿真文件 tb_seq_0101.outiverilog-Wall-otb_seq_0101.out seq_0101.v tb_seq_0101.v# -o 指定仿真文件名 默认a.out# -Wall 开启所有警告# seq_0101.v 设计块文件# tb_seq_0101.v 仿真块文件# 方式 2只编译激励文件靠 include 包含设计块iverilog-Wall-otb_seq_0101.out tb_seq_0101.v# 两种编译方式 都不会报 “重复定义” 错误且仿真结果完全一致2.2.7 运行仿真# 2. 运行仿真控制台输出持续的01交替vvp tb_seq_0101.out2.2.8 查看波形图# 3. 打开波形图查看规整的01交替方波gtkwave tb_seq_0101.vcdGTKWave 必加信号打开.vcd文件后默认不会显示任何信号必须手动选中并添加到 WaveView添加信号查看波形图clk规整的 5ns 周期方波作为时间基准。rst_n前 20ns 保持低电平复位之后变为高电平释放复位。seq_out复位期间恒为 0复位释放后开始严格的 0→1→0→1 交替翻转完全符合我们想要的持续 010101… 输出效果这说明你的 Verilog 代码和仿真流程已经完全跑通了