基于国产软硬件系统的实验教学FPGA仿真工具设计

王建新，肖超恩，张磊，孙猛，韩英，许弘可

（北京电子科技学院电子与通信工程系，北京 100070）

0 引言

目前，我国高等教育正处于内涵发展的关键时期和全面提高人才培养能力、建设教育强国的关键阶段［1-2］。实验教学应着力于新工科建设与发展，在EDA领域，如何提高相关仿真工具软件的自主化程度，提升学生解决复杂工程问题的能力，是我们面临的一个重要问题［3-4］。

可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）可通过编程方式组合成任意数字电路，广泛应用于电子、通信、计算机、人工智能等领域。FPGA 作为专用集成电路领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路功能单一，又克服了通用处理器计算效率低下的问题。硬件描述语言将硬件设计软件化，软件设计虚拟化，以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以软件设计为基础，结合仿真综合，完成对FPGA芯片的编译、布局布线、逻辑映射和下载工作［5-6］。

目前，FPGA 集成开发工具在Windows 操作系统（某些Linux操作系统）和X86 平台下能够完美运行，其集成开发工具主要包括：国外的Quartus Ⅱ、Vivado、Diamond等；国产FPGA 开发工具主要包括：Pango、TangDynasty、云源软件、HqFpga、FX 伏羲软件、Supra软件等［7-8］。

在代码仿真方面，主要软件包括：Modelsim、NCVerilog、NC-VHDL、NC-SIM等付费软件［9-10］，目前不支持国产操作系统及国产CPU，主要用于大型芯片或设备开发、生产测试环境，且使用受限，授权价格昂贵，在高校FPGA实验教学环境建设和国产化方面存在一定问题。为便于实验教学，基于Linux 操作系统下的开源软件开发工具Gambas设计并实现了基于国产操作系统和国产CPU的FPGA 仿真工具EasyVerilog，针对不同架构CPU的不同指令集问题，集成并适配了相关开源插件，可实现Verilog 代码编写、编译、仿真、综合等相关功能，可用于数字电子技术、EDA、FPGA 等相关实验课程的数字逻辑设计与仿真，在一定程度上降低了实验教学中对如ModelSim等国外EDA仿真工具软件的依赖。

1 系统架构

本文采用Gambas 进行FPGA 集成开发工具EasyVerilog的设计与实现［11-13］，主要工作包括：工程管理，代码编辑，Verilog 代码的编译、仿真、综合，Verilog转VHDL，代码模板，系统升级、时序图和状态转移图绘制等功能，系统架构如图1 所示。

图1 系统架构

该仿真工具可运行于Deepin、UOS、银河麒麟、优麒麟、Loongnix等国产操作系统，以及龙芯、飞腾、鲲鹏、兆芯等国产CPU，可用于FPGA硬件逻辑设计中轻量级Verilog代码编写、编译、仿真与综合。

2 实现方案

2.1 Gambas开发工具

Gambas是一套基于类Unix 操作系统的开源程序设计工具。Gambas以可视化为主要特点，采用面向对象、事件驱动机制，把Linux程序设计的复杂性封装起来，使研究和开发Linux 环境下的应用程序变得简单易行。实际上，Gambas可以看作是具有对象扩展功能的BASIC解释器，使用BASIC 和C 混合语法规则，在体系结构上参考Java实现方案，界面实现上采用Qt4、Qt5、GTK +2、GTK +3 兼容方案［14-16］。用Gambas 开发的应用程序是一组文件的集合，每个文件描述一个类，类文件编译后由解释器执行。

2.2 系统实现

2.2.1 工程管理

EasyVerilog集成开发工具窗体的左侧设计了一个工程管理窗口，以树状列表形式列出了当前工程中的Verilog代码和Testbench 文件等，采用TreeView 控件实现，开发工具窗口如图2 所示。

图2 开发工具窗口

可通过“文件”菜单下“新建”中的“工程文件”菜单新建一个工程，也可以在“打开”菜单下打开一个已经存在的工程，如图3 所示。当点击左侧区域的工程管理窗口中相关文件时，会在中间区域的代码编辑窗口显示Verilog 代码或Testbench 文件，右侧为代码缩略图窗口，最下侧为控制台窗口。

图3 “文件”菜单

2.2.2 代码编辑

代码编辑窗口实现源代码编辑功能，用来编写和编辑Verilog代码。主要包括撤消、恢复、剪切、复制、粘贴、删除、全选、查找和转到等文本操作功能，采用TextEditor控件实现，与主流代码编辑器风格保持一致。使用查找功能时，会在底部出现一个文本框，输入要查找的文本，代码编辑窗口中的相关文本会高亮显示，使用Highlight属性实现，如图4 所示。

图4 “编辑”菜单

2.2.3 编译

EasyVerilog开发工具采用插件（Plugin）技术实现快速开发。在编译、仿真和综合阶段，设计了一种通用插件接口方案，借鉴Qt 中信号（Signal）与槽（Slot）的通信机制，通过类回调（函数）形式进行“隐式”连接，“显示”收发数据，在操作系统中以流（Stream）的形式向插件发送相关命令（Command），插件接收到命令后返回相关计算结果（Result）到流，系统再以过程（Process）方式将结果截获并回显。该方案有利于系统功能扩展、升级与整体迁移。

Verilog代码编译采用了Icarus Verilog（iverilog）开源插件，由Stephen Williams 开发，也可配置其他编译插件。Icarus Verilog 能将符合IEEE-1364 格式的Verilog 代码编译为指定格式，当前支持IEEE Std 1364-2005。Icarus Verilog 通过下载源码并进行本地编译形式，仅需要进行少量配置文件和接口代码修改，可通过一次代码编写，指定平台编译的形式支持所有的国产操作系统和国产CPU，包括最新的龙芯LoongArch指令集。通过iverilog 命令编译Verilog 代码，如果出错，会在最下侧的控制台窗口输出相关错误信息，如果无误，则根据代码要求输出相关信息。“工程”菜单提供了“编译当前文件”“编译全部”“仿真”“综合”和“Verilog转VHDL”等功能，如图5 所示。

图5 “工程”菜单

2.2.4 仿真

Verilog代码编译完成后，通过vvp 命令生成波形文件，使用GTKWave 插件显示波形。GTKWave 是一个功能齐全的波形查看工具，可读取LXT、LXT2、VZT、FST和GHW文件以及标准Verilog VCD／EVCD文件。

2.2.5 综合

Verilog代码综合采用yosys插件。yosys是一款开源FPGA 综合工具，支持Verilog-2005，并为各应用领域提供了一套基础综合算法，主要特性包括：可将Verilog转换为BLIF、EDIF、BTOR、SMT-LIB 和simple RTL Verilog 等格式；可进行属性和等价性检查，逻辑化简和优化；可映射到ASIC 标准单元库；可映射到Xilinx 7 系列和Lattice iCE40、ECP5 等FPGA；自定义综合流程、扩展自定义综合算法、扩展针对其他FPGA的综合等。

由于综合需要大量命令行操作，EasyVerilog 采用内置命令行输出与虚拟终端设计方法，有效避免与其他终端的干扰与数据阻塞，实现一个与终端并行执行的虚拟终端系统来模拟终端，通过命令缓冲批处理形式依次发送相关综合操作命令到虚拟终端，并将执行结果回馈，提高了运行效率。

2.2.6 绘制时序图

在Verilog代码编写前，可能需要对所设计的硬件逻辑功能进行全面、深入的分析，此时需要列出相关控制信号并按需绘制状态转移图或（和）时序图。EasyVerilog开发工具集成了网页版本的状态转移图绘制工具SequenceDiagrams 和时序图绘制工具WaveDromEditor。该功能放置在“工具”菜单中。此外，“工具”菜单可插入Verilog 代码的相关模板，如时序逻辑、组合逻辑等代码模板框架，可打开并浏览当前工程文件夹，安装与升级插件，并设计有一个文本计算器，如图6 所示。

图6 “工具”菜单

3 实例分析

通过一个实例来说明利用该集成开发工具实现Verilog数字逻辑设计的基本步骤和技巧。例如：实现一个4 bit计数器，并进行编译、仿真、综合。

（1）功能设计。编写一个4 bit计数器实例，当系统复位时计数器清零，否则进行累加操作。采用WaveDromEditor设计并编辑时序图，如图7 所示。

图7 计数器时序图

（2）Verilog HDL 硬件描述。在代码编辑窗口中编写Verilog代码，描述硬件逻辑功能，包括两类基本模块（module），即功能模块和测试模块（Testbench），文件名分别为counter.v 和counter_tb.v，4 bit 计数器功能模块代码为：

（3）编译与仿真。当选择“工程”菜单中的“编译当前文件”时，可编译当前的功能模块，当选择“编译全部”时，则可编译该工程中所有功能模块和测试模块。当全部模块编译无误后，选择“仿真”，即可生成波形文件，并调用GTKWave 插件显示仿真波形，如图8 所示。

图8 计数器仿真波形

（4）综合。对功能模块进行综合，生成网表文件并以图形方式显示，在虚拟终端显示输出信息，如图9、10 所示。

图9 网表文件

4 结语

本文设计了一个轻量级，支持国产操作系统和国产CPU的FPGA仿真工具EasyVerilog。经过测试，运行时内存占用约为20 MB，不含插件安装程序约为100 KB，包含插件完全安装约为500 MB，适合于目前国产计算设备软硬件资源少，需要对Verilog 代码逻辑进行仿真的场合，适用于轻量级科研仿真、实验教学等场景。目前，该系统已经应用于数字系统设计、专业实习、电子电路课程设计等相关课程的实验教学，经相关实验课程的反复测试验证与使用，结果表明：该系统能够在龙芯派二代2K1000 +Loongnix 操作系统以及树莓派等单板计算机上流畅运行，也可在FT2000 +银河麒麟、龙芯3A4000 +UOS国产计算机上完美运行。同时，支持在国产X86 平台+各类国产操作系统运行，在教学上能做到对FPGA代码编辑和编译工具的替代和ModelSim仿真工具的部分替代，并且可为后续开发提供理论基础与技术支持。

图10 图形显示及虚拟终端