Просмотр исходного текста страницы Blog:Boldenkov/23.03.2016 Применение verilator и vmodel

<summary [ hidden ] >
[[File:20160323_KDPV.jpg|400px|center]]

Совместное моделирование Matlab и Verilog
</summary>

{{TOCright}}

== Зачем? ==
Это классно!

== О чём речь? ==

Моделировать можно по-разному.

Вот Matlab, например, позволяет удобно работать с матрицами. При этом язык программирования Matlab подобен другим императивным языкам программирования - инструкции выполняются друг за другом последовательно

Verilog также можно использовать для моделирования. Однако это язык описания аппаратуры, который функционирует совсем не так, как обычные языки программирования. Он описывает некоторые структуры, функционирующие параллельно и одновременно.

Зачем пытаться использовать эти языки совместно? Первоначально алгоритмы удобно отлаживать в Matlab, где есть безграничные возможности. Но когда дело идёт к реализации алгоритмов, их нужно описать на одном из языков описания аппаратуры. Тут мы используем Verilog.

Для отладки алгоритмов Verilog желательно иметь возможность сравнения результатов с исходной моделью Matlab. Конечно, можно сделать это путём записи в результатов в файл, но это не слишком удобно. Особенно сложно это становится, если нужно реализовать обратную связь из Verilog в Matlab.

== Применяемые средства ==

=== Verilator ===

Есть множество программ, позволяющих моделировать алгоритмы на языке Verilog. Одной из таких программ является Verilator. Более подробную информацию можно найти на сайте http://veripool.org. Программу написал Wilson Snyder, она существует уже более десяти лет и активно поддерживается.

В отличии от большинства подобных программ, Verilator не является интерпретатором языка Verilog. Это конвертор из Verilog в C++. Полученный файл затем компилируется компирятором gcc и исполняется, как обычная компьютерная программа.

В результате Verilator поддерживает не все возможности Verilog. Поддерживаются синтезируемые конструкции, а также некоторые системые функции вроде $display(). Впрочем, поддержка Verilog (и SystemVerilog) достаточно хорошая.

Преимуществом является высокая скорость исполнения получаемого кода.

Verilator не является полноценным симулятором Verilog, тестбенчи требуется писать на C++.

=== vmodel ===

Очевидно, что программу C++ можно подключить к Matlab с использованием MEX-интерфейса. Это было сделано в программе vmodel коллегами из МИРЭА:
<source lang=Matlab>
%%*********************vmodel MATLAB Verilog simulator******************
%%Version 0.9.6
%%Moscow, Control Problems Department MIREA, 2009-2015
%%Authors: Karyakin D, Romanov A, Slaschov B 
%%- 
%%Distributed under the GNU LGPL
%%**********************************************************************
</source>

Программу можно скачать с github: 
<source lang="bash">
git clone https://github.com/amromanov/vmodel.git
</source>

Программа предполагает написание тестбенчей в Matlab, а отлаживаемый код на Verilog обрабатывается с помощью Verilator.

=== vppreproc ===
Ещё одна утилита от Wilson Snyder - препроцессор Verilog vppreproc. Найти его можно на том же сайте http://veripool.org
{{wl-publish: 2016-03-23 14:06:12 +0300 | Boldenkov }}

== Всё просто! (Пример использования) ==

Допустим, мы хотим протестировать вот такой простой модуль Verilog:

<source lang="verilog">
module counter
  (
   clk,
   Rst,
   cnt
   );

   parameter R=4;
     
   input clk;
   input Rst;
   output [R-1:0] cnt;

   reg [R-1:0] 	  cnt;

   always @(posedge clk or negedge Rst)
     if (Rst == 1'b1)
       cnt <= 0;
     else
       cnt <= cnt + 1;
   
endmodule
</source>

Тестбенч должен формировать тактовый сигнал clk и сигнал сброса Rst. Эти сигналы будем формировать в Matlab и считывать результат - состояние счётчика cnt.

<source lang="Matlab">
clear;

% Параметры vmodel
data.src_filename = 'counter.v';

data.output = '.';          % Output directory
data.clk_name='clk';        % Clock signal name (by default 'clk')
data.save_cpp=0;            % Is it necessary to save mex source c++ file
data.constr_name = 'mult';  % Simulation object constructor name
data.sim_name = 'sim_step'; % Simulation function name
data.no_simulink_model = 1;

addpath(data.output);

vmodel(data)

%% Сброс

% Устанавливаем Rst в единицу, чтобы сделать сброс
mult.Rst = 1;

% Делаем такт clk, не считывая результат
sim_step(mult, 1, 1);

% Устанавливаем Rst в ноль, чтобы прекратить сброс
mult.Rst = 0;

% Делаем такт clk, не считывая результат
sim_step(mult, 1, 1);


%% Само моделирование
N = 100;
cnt = zeros(1, N);
for i=1:N
    % Делаем такт clk, считывая результат
    [res t] = sim_step(mult, 1, 0);
    
    % Записываем результат в массив
    cnt(i) = res.cnt;
end

%% Вывод результатов
plot(cnt)
</source>

Запускаем и получаем ожидаемый результат:

[[File:20160323_Counter_result.png|400px]]

== Решение проблем ==

=== Передача параметров в Verilog ===

Параметры в Verilog придуманы для того, чтобы их можно было изменять при встраивании. Аналогичную операцию желательно делать и в vmodel.

Поддержка параметров реализована с помощью дополнительного скрипта insert_with_param.m. Он делает дополнительный файл, вызываемый в качестве верхнеуровневого модуля, прописывая значения параметров в этом файле.

Вот тут выяснилось, что есть проблема. Verilog поддерживает два разных варианта синтаксиса описания портов. Первый вариант - когда всё описано в заголовке модуля:

<source lang="Verilog">
module counter
  #(
    parameter R=4 
     )
  (
   input clk,
   input Rst,
   output reg [R-1:0] cnt
   );
</source>

Второй вариант - когда всё описано уже после заголовка модуля:

<source lang="Verilog">
module counter
  (
   clk,
   Rst,
   cnt
   );

   parameter R=4;
     
   input clk;
   input Rst;
   output [R-1:0] cnt;

   reg [R-1:0] 	  cnt;
</source>

Лично мне больше нравится первый вариант, т.к. в нём нет трёхкратного дублирования одного и того же - описания входов и выходов. А дублирование - это плохо. Плохо тем, что рано или поздно при редактировании может закрасться ошибка, если три описания будут отличаться. Одна сущность должна описываться один раз.

Но на практике в окружающем мире обычно приходится сталкиваться именно со вторым вариантом синтаксиса.

Так вот, скрипт insert_with_param.m, входящий в в исходный вариант vmodel, поддерживает только первый вариант синтаксиса. 

Я доработал скрипт insert_with_param для поддержки любого вида синтаксиса. Планирую выложить на github, чтобы его включили в официальный вариант vmodel.

Итак, что получается в результате:

<source lang="bash">

</source>