今天來聊點(diǎn)有意思的東西，FPGA開發(fā)者或者數(shù)字IC開發(fā)者常用的HDL仿真器的基本原理。即Modelsim、ActiveHDL等仿真器的基本原理。

目前，HDL仿真器主要有三種實(shí)現(xiàn)算法（機(jī)制）：基于時(shí)間的算法（Time-Based）、基于事件的算法（Event-Based，EBS）和基于周期的算法（Cycle-Based，CBS）。

基于時(shí)間的算法適合處理連續(xù)的時(shí)間及變量，其會(huì)在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)所有的電路元件進(jìn)行計(jì)算。但是，在大部分情況下，每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)只有約2%~10%的電路處于活動(dòng)（運(yùn)行）狀態(tài)，所以該算法效率非常低。

基于事件的算法適合處理離散的時(shí)間、狀態(tài)和變量。該算法只有在電路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)才進(jìn)行處理，只仿真那些可能引起電路狀態(tài)改變的元件。仿真器響應(yīng)輸入引腳上的事件，并將值在電路中向前傳播。目前來說，該算法效率最高，且應(yīng)用最為廣泛，大部分的商業(yè)仿真器都是基于該種算法進(jìn)行開發(fā)的。用某仿真器廠家的宣傳語，就是“Evaluate When Necessary”。

基于周期的仿真算法以時(shí)鐘周期為處理單位（與時(shí)間無關(guān)）。其旨在時(shí)鐘邊沿進(jìn)行計(jì)算，不管時(shí)鐘周期內(nèi)的時(shí)序，且只是用兩值邏輯（0和1）。該算法主要針對(duì)的是大規(guī)模設(shè)計(jì)（尤其是數(shù)字IC設(shè)計(jì)），且只能應(yīng)用于同步電路。

下面詳細(xì)介紹一下基于事件的仿真算法：

仿真器在編譯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)建立一個(gè)事件隊(duì)列；

只有當(dāng)前時(shí)間片中所有事件都處理完成之后，時(shí)間才能向前；

仿真從時(shí)間0開始，而且時(shí)輪只能向前推進(jìn)。只有時(shí)間0的時(shí)間處理完后才能進(jìn)入下一時(shí)間片；

在同一個(gè)時(shí)間片內(nèi)發(fā)生的事件在硬件上是并行的；

理論上時(shí)間片可以無限，但實(shí)際上受硬件（如電腦的CPU等）和軟件（如該仿真軟件是否支持多線程技術(shù)等）的限制。

而基于周期的算法只會(huì)在時(shí)鐘的邊沿來計(jì)算組合邏輯的輸出結(jié)果，因此基于周期的算法速度更快，內(nèi)存的使用效率更高。同時(shí)，因?yàn)榛谥芷诘乃惴ú辉试S進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間約束，所以其仿真時(shí)間精度沒有基于事件的算法高（since cycle-based simulators do not allow detailed timing specificity, they are not as accurate.）。基于周期的算法的原理圖，如下圖所示：

基于事件的算法，基于周期的算法和傳統(tǒng)的電路仿真軟件SPICE的比較圖：

目前基于事件的算法的仿真器（EBS Simulator）主要有：

Modelsim、ActiveHDL、NC-Verilog、Verilog-XL、VCS（Verilog）、Scirocco（VHDL）等。

基于周期的算法的仿真器（CBS Simulator）主要有：

Modelsim、Synopsys Cobra等。

其中Modelsim同時(shí)支持EBS和CBS。