Verilog FPGA 硬件

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

iverilog教程

Posted by Wang Chao on December 3, 2019

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。

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。

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

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：

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-get install iverilog
  • 安装GTKWave：sudo apt-get install 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。

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

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


where iverilog
where vvp
where gtkwave

Linux环境可以通过which命令查看安装路径


which iverilog
which vvp
which gtkwave

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：


$ iverilog
D:\iverilog\bin\iverilog.exe: no source files.

Usage: iverilog [-EiSuvV] [-B base] [-c cmdfile|-f cmdfile]
                [-g1995|-g2001|-g2005|-g2005-sv|-g2009|-g2012] [-g<feature>]
                [-D macro[=defn]] [-I includedir]
                [-M [mode=]depfile] [-m module]
                [-N file] [-o filename] [-p flag=value]
                [-s topmodule] [-t target] [-T min|typ|max]
                [-W class] [-y dir] [-Y suf] [-l file] source_file(s)

See the man page for details.

下面来详细介绍几个常用参数的使用方法。

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

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


led_demo_tb.v:38: error: Unknown module type: led_demo
2 error(s) during elaboration.
*** These modules were missing:
        led_demo referenced 1 times.
***

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

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

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

Verilog的编译仿真实际应用

新建led_demo.v源文件，内容如下：


module led_demo(
	input clk,
	input rst_n,

	output reg led
);

reg [7:0] cnt;

always @ (posedge clk)
begin
	if(!rst_n)
		cnt <= 0;
	else if(cnt >= 10)
		cnt <= 0;
	else 
		cnt <= cnt + 1;
end

always @ (posedge clk)
begin
	if(!rst_n)
		led <= 0;
	else if(cnt == 10)
		led <= !led;
end

endmodule

功能非常简单，每10个时钟周期，led翻转一次。

仿真testbench文件led_demo_tb.v，内容如下：


`timescale 1ns/100ps

module led_demo_tb;

parameter SYSCLK_PERIOD = 10;

reg SYSCLK;
reg NSYSRESET;

initial
begin
    SYSCLK = 1'b0;
    NSYSRESET = 1'b0;
end

/*iverilog */
initial
begin            
    $dumpfile("wave.vcd");        //生成的vcd文件名称
    $dumpvars(0, led_demo_tb);    //tb模块名称
end
/*iverilog */

initial
begin
    #(SYSCLK_PERIOD * 10 )
        NSYSRESET = 1'b1;
	#1000
		$stop;
end

always @(SYSCLK)
    #(SYSCLK_PERIOD / 2.0) SYSCLK <= !SYSCLK;

led_demo led_demo_ut0 (
    // Inputs
    .rst_n(NSYSRESET),
    .clk(SYSCLK),

    // Outputs
    .led( led)
);

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。


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

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，led_demo_tb.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。

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。

如果没有生成，需要检查testbench文件中是否添加了如下几行：


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

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。

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

生成的VHDL文件内容如下：


-- This VHDL was converted from Verilog using the
-- Icarus Verilog VHDL Code Generator 11.0 (devel) (s20150603-612-ga9388a89)

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

-- Generated from Verilog module led_demo (led_demo.v:1)
entity led_demo is
  port (
    clk : in std_logic;
    led : out std_logic;
    rst_n : in std_logic
  );
end entity;

-- Generated from Verilog module led_demo (led_demo.v:1)
architecture from_verilog of led_demo is
  signal led_Reg : std_logic;
  signal cnt : unsigned(7 downto 0);  -- Declared at led_demo.v:8
begin
  led <= led_Reg;

  -- Generated from always process in led_demo (led_demo.v:10)
  process (clk) is
  begin
    if rising_edge(clk) then
      if (not rst_n) = '1' then
        cnt <= X"00";
      else
        if Resize(cnt, 32) >= X"0000000a" then
          cnt <= X"00";
        else
          cnt <= cnt + X"01";
        end if;
      end if;
    end if;
  end process;

  -- Generated from always process in led_demo (led_demo.v:20)
  process (clk) is
  begin
    if rising_edge(clk) then
      if (not rst_n) = '1' then
        led_Reg <= '0';
      else
        if Resize(cnt, 32) = X"0000000a" then
          led_Reg <= not led_Reg;
        end if;
      end if;
    end if;
  end process;
end architecture;

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。

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：


echo "开始编译"
iverilog -o wave led_demo.v led_demo_tb.v
echo "编译完成"
vvp -n wave -lxt2
echo "生成波形文件"
cp wave.vcd wave.lxt
echo "打开波形文件"
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。

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。

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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  • 我的个人博客：www.wangchaochao.top
  • 我的公众号：mcu149
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