modelsim和vivado仿真不一致——噩梦debug

昨天经历了恶梦debug，中间排了很多坑，特来记录一番。

一、问题描述

和队友写了lenet神经网络推理的硬件实现，在modelsim已经跑通，且验证了功能，但需要移植到vivado，利用里面的dist_rom加载权重。

顺便插一句，vivado有两者存储IP：dist_ram和blk_ram，分别表示分布式存储和块存储。分布式存储利用lut单元，分布在电路周围，因此布线容易，但容量有限制。块存储是真实的ram，容量大，但有可能布线较长。

但将reg更换成rom和ram之后，运行结果和modelsim不一致。然后用源文件在vivado仿真，结果还是不一样。

第二天用vcs仿真，发现前半部分输出和vivado一致，后半部分输出不一样。用iverilog仿真，发现前半部分输出和modelsim一致，后半部分输出不一样。

这下彻底崩溃，四个EDA软件仿真相同的文件，出现四种不同结果！而且代码那么多，可谓海底捞针，真不知道自己当时哪来的勇气去debug。

二、漫长debug

Debug最基本的思想就是控制变量，要么从头开始，要么从尾部回溯。电路的调试还有个很好的切入点是“状态机”，查看状态跳转可以缩小搜索范围，相当好用。

我首先比较modelsim和iverilog后半部分输出，确实发现最后一个全连接层的状态跳转失败，因此回溯决定状态跳转的几个信号。iverilog的好处是一次仿真可以保存所有信号，这和vcs一样。modelsim每次添加信号需要重新仿真，但它能够查看中间memory的数据，这点和vivado一致。

回溯到最后，发现一个always模块的非阻塞赋值写成了阻塞赋值！modelsim默认always模块里都是非阻塞赋值，其他仿真器则不会，两者赋值的输出结果会不一样。这样modelsim和iverilog就对上了。

接下来找vcs和iverilog差别，它们是前半部分不同，因此向前回溯，最后发现TB顶层，打入Input map的时候，always模块没有用非阻塞，导致memory初始化数据不对。这么明显的错误，我当时竟然没看到，真是眼瞎了！这下vcs和iverilog也对上了。

最后权重替换为dist_rom和blk_ram，前半部分结果不对，而且数据延时了一拍才出来。还是用回溯的方法找信号，最后发现blk_ram的读使能应该由两个信号决定，我只写了一个信号，导致其中一个数据写错，影响最终结果。

从早上7点找到晚上8点，庆幸找到了这三个bug，真是伤神。

三、阻塞和非阻塞仿真的区别

这里做一个简单的测试模块：

module test(
	input  clk,rst_n,
	output reg acc,
	output reg [3:0] cnt);
	reg enable;

	always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(~rst_n)
		acc <= 0;
	else 
//非阻塞赋值，cnt正常累加
		acc <= ~acc;
//阻塞赋值，cnt输出一直为0
         //  acc = ~acc;
	end

	always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(~rst_n)
		enable <= 0;
	else 
		enable <= ~enable;
	end	

	always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if (~rst_n)
		cnt <= 0;
	else if(enable)	
		cnt <= cnt + acc;
	end
		
endmodule

仿真阻塞和非阻塞的结果，我们看到，非阻塞的acc正常累加，阻塞的acc一直保持0，为什么呢？

看图中的第一个↑，非阻塞赋值，acc从0→1，阻塞不变。

• 非阻塞：当上升沿到来时，会查看上升沿前信号的值，acc=1，enabel=1，因此cnt=cnt+1，更新为1；
• 阻塞：当上升沿到来时，查看enable（非阻塞）上升沿前的值，enabel=1，acc上升沿后（阻塞）,acc=0，因此cnt=cnt+0，保持不变；

四、iverilog和vcs仿真

iverilog是开源软件，用于仿真并产生相应文件，再利用gtkwave查看。仿真前需要在tb文件加入保持波形文件的语句：

initial begin
$dumpfile("test2.vcd")
$dumpvars;
end

然后执行以下语句，注意tb文件放最后：

iverilog test2_rtl.v test2_tb.v
./a.out
gtkwave test2.vcd

vcs是Synopsys公司的仿真软件，工业界一般配合verdi查看波形debug，也可以利用自带的dve。同样，tb文件加入保存波形的语句：

initial begin
    $vcdpluson();
end

依次执行

vcs -full64 -f verilog_file.f -debug_pp +vcd+vcdpluson
./simv
dve -vpd vcdplus.vpd

这里的verilog_file.f 文件是.v文件的列表，即

test2.v test2_tb.v

测试代码链接：test2