在Modelsim仿真中显示状态机名称的3种方法

挣钱买刀 · 发表于 2018-9-16 21:18:16

经过网上的搜索及自己的实验，总结在Modelsim仿真中显示状态机名称的三种方法。下面以一个具体的实例进行讲解。
实例功能：引入状态机实现2分频，这里使用状态机完全只是为了说明如何在仿真中显示状态机名称。
状态转移图：

状态转移图

设计文件代码：

1 module fsm(
2 input clk,
3 input reset_n,
4 output reg clkout
5 );
6
7 parameter ONE = 2'b01,
8 ZERO = 2'b10;
9
10 reg [1:0]state;
11
12 always@(posedge clk or negedge reset_n)
13 if(!reset_n)begin
14 state <= ONE;
15 clkout <= 1'b1;
16 end
17 else begin
18 case(state)
19 ONE:begin
20 state <= ZERO;
21 clkout <= 1'b0;
22 end
23 ZERO:begin
24 state <= ONE;
25 clkout <= 1'b1;
26 end
27 endcase
28 end
29
30 endmodule

复制代码

testbench文件代码：

1 `timescale 1ns/1ns
2 `define CLK_PRIOD 20
3
4 module tb_fsm();
5
6 reg clk;
7 reg reset_n;
8 wire clkout;
9
10 fsm inst_fsm(
11 .clk(clk),
12 .reset_n(reset_n),
13 .clkout(clkout)
14 );
15
16 initial clk = 1;
17 always #(`CLK_PRIOD/2) clk = ~clk;
18
19 initial begin
20 reset_n = 0;
21 #201
22 reset_n = 1;
23 #500;
24 $stop;
25 end
26
27 endmodule

复制代码

仿真波形：

未处理

在波形图中，看到状态机状态只能以各种进制的数进行显示，当状态比较多的时候不太便于查看波形查找一些问题，下面将用3种不同的方式对状态机状态以名称的形式显示在波形图中。

static/image/hrline/line3.png
方法一：在testbench文件中对设计文件中的各种状态进行映射
实现过程：
在tb文件加入一个reg变量monitor_state，将设计文件中的状态state映射到monitor_state，通过映射将不同的状态state在tb文件中通过monitor_state用字符串表示，具体实现代码如下。与开始相比，tb文件增加了9~16行的代码，在modelsim波形显示窗口将信号monitor_state添加进行，将数据显示格式设置为ASCII码，这样就能看到monitor_state信号名称就显示为状态机名了，并且与state是一一对应的。

注：这里的monitor_state的位宽设置是根据状态名称最长字符的个数确定的，一个ASCII码字符要用8bit表示，这里最长的是4个字符，所以这里设置的位宽是32位。

1 `timescale 1ns/1ns
2 `define CLK_PRIOD 20
3 module tb_fsm();
4 reg clk;
5 reg reset_n;
6 wire clkout;
7 reg [31:0]monitor_state;
8
9 parameter ONE = 2'b01,
10 ZERO = 2'b10;
11
12 always@(inst_fsm.state)
13 case(inst_fsm.state)
14 ONE: monitor_state = "ONE ";
15 ZERO: monitor_state = "ZERO";
16 endcase
17
18 fsm inst_fsm(
19 .clk(clk),
20 .reset_n(reset_n),
21 .clkout(clkout)
22 );
23
24 initial clk = 1;
25 always #(`CLK_PRIOD/2) clk = ~clk;
26
27 initial begin
28 reset_n = 0;
29 #201
30 reset_n = 1;
31 #500;
32 $stop;
33 end
34 endmodule

复制代码

仿真波形：

方法1

static/image/hrline/line3.png
方法二：在testbench文件中对设计文件中的状态机编码进行重定义
实现过程：
在tb文件中将设计文件中的状态机编码用 defpara 进行重定义，具体可见下面代码8、9行，这里就涉及到重定义前后状态机状态寄存器的位宽发生了变化，重定义后的位宽变成了32位，这样就需要在设计文件中将状态寄存器state的位宽也设置成32bit。即将设计文件代码的第10行代码更改为 “reg [31:0]state;” 。这种情况不需要在波形文件额外添加信号，直接让状态机状态寄存器显示状态名。仿真波形见下面。

1 `timescale 1ns/1ns
2 `define CLK_PRIOD 20
3 module tb_fsm();
4 reg clk;
5 reg reset_n;
6 wire clkout;
7
8 defparam inst_fsm.ONE = "ONE ";
9 defparam inst_fsm.ZERO = "ZERO";
10
11 fsm inst_fsm(
12 .clk(clk),
13 .reset_n(reset_n),
14 .clkout(clkout)
15 );
16
17 initial clk = 1;
18 always #(`CLK_PRIOD/2) clk = ~clk;
19
20 initial begin
21 reset_n = 0;
22 #201
23 reset_n = 1;
24 #500;
25 $stop;
26 end
27 endmodule

复制代码

仿真波形：

static/image/hrline/line3.png
方法三：使用虚拟对象显示状态机名称
实现过程：
该种方法不需要对设计代码和tb代码进行更改，这个只需要在modelsim软件上进行一些Tcl命令的操作，首先使用ModelSim的virtual type命令定义一个新的枚举类型（FSM_TYPE），该枚举类型可以在随后的仿真中使用，其命令格式为：virtual type { {val1 s1} { val2 s2} … { valn sn} } newVirtualType，其中val表示枚举值，s表示枚举名。而newVirtualType表示新的枚举类型名称。

注：virtual type与 { 之间，里面的 {} 与 {} 之间，} 与newVirtualType 一定要有空格。
具体在本实例中在使用最开始的tb文件进行仿真后，然后再modelsim软件的tcl console窗口依次输入如下命令：

1 virtual type { {2‘b01 ONE} { 2'b10 ZERO} } state_type
2 virtual function {(state_type)/inst_fsm/state} fsm_state
3 add wave -color pink /inst_fsm/fsm_state

复制代码

方法3脚本

3条命令的作用分别为：
1、使用ModelSim的virtual type命令定义一个新的枚举类型state_type
2、将需要显示的信号（/inst_fsm/state，设计文件中状态寄存器）进行类型转换，转换成一个新的信号fsm_state
3、将新的信号fsm_state加入到wave窗口中
仿真波形：

方法3

该种方法的实现可参考：https://www.cnblogs.com/ZcsTech/p/3504416.html
总结：
以上三种方法均能实现在Modelsim仿真中显示状态机名称，各有特点，读者可以根据自己的习惯选择其中一种方法即可，这个就是能让在仿真波形时更加直观的看到状态转移的跳转情况。

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