数模混合仿真实例（数字verilog作为顶层）VCS+Xa
IC君的第40篇原创文章 （欢迎关注公众号 icstudy）
一年一度的五一劳动节又到了，常常加班不止996的ICer又可以好好休息一下了，首先IC君祝大家劳动节快乐！
大家都知道对于一颗有点复杂度的芯片而言（比如SOC），通常都会包含数字电路和模拟电路。在设计的初期，也许数字模块和模拟模块是分开设计和仿真的。随着项目的推进，需要将这些模块都集成到一起，形成最终tapeout的芯片。
以前也写过一篇文章IC君：新入职IC工程师必备技能——数模混合篇
如何保证数字电路和模拟电路之间的连接性和协同工作的表现呢？
做仿真呗~
废话，当然要做仿真，要做什么仿真呢？
包含数字电路和模拟电路的数模混合仿真。
数模混合仿真顾名思义包括数字电路仿真和模拟电路仿真。那数字电路仿真和模拟电路仿真又是如何定义的呢？
数字电路的仿真建模：verilog、system verilog、VHDL等等；
模拟电路的仿真建模：spice、verilog-A/AMS、VHDL-AMS、Real/Wreal、行为模型等等.
数字电路的仿真是以verilog为代表的，模拟电路的仿真有多种选择，最终数模混合有多种方式。这篇文章重点讨论verilog和spice的数模混合仿真方法。
常用的支持verilog的仿真器：VCS (synopsys）, NC verilog/irun (cadence) , modesim(mentor)等等；
常用的支持spice的仿真器 ：hspice (synopsys), Xa (synopsys), hsim(synopsys), finesim(synopsys), spectre(cadence)等等；
hspice针对的是模块级的仿真，通常用于规模很小的电路，精度很高但速度非常慢。
Xa，hsim，finesim可以作为快速spice的仿真工具，速度上比hspice快很多，损失一点点精度。数模混合设计电路通常是中小规模的，一般都是选择快速spice仿真工具，hspice根本仿真不动啊。
所以最常见的数模混合仿真选择是VCS与Xa、hsim、finesim三者之一。下面IC君就以VCS+Xa为例，讨论数模混合仿真的过程。
既然数模混合仿真包含数字电路和模拟电路两种仿真，最顶层整合所有模块的仿真属于哪一种呢？数字还是模拟呢？
答案是两者都可以。
具体使用哪种环境要看实际的项目，以数字verilog为顶层的好处是，模拟仿真的结果都转换为数字，后续的验证就变得比较简单，毕竟数字的验证方法学比模拟先进很多。
有时候数字模块仅仅是一个很专用的模块，很复杂而且规模很大，其它都是以模拟模块为主，这时候也可以用模拟SPICE作为顶层来做数模混合仿真。
本来IC君自己辛辛苦苦准备了一个实例，后来发现在在Xa的安装目录$Xa_install_dir/doc/tutorials/mixed_signal/XA-VCS
下面有准备好的实例。这个实例是以数字verilog仿真作为顶层，唯一的缺点是有些配置太简单了，IC君在它的基础上再加了一些复杂的配置。
这个实例的目的是验证一个4位加法器，这个加法器是用手工搭出来电路（模拟电路的实现方式）。
在这个实例里面我们需要准备如下文件：
adder.v Verilog 4位加法器的定义，其实只需要module名和端口定义;
testbench.v仿真环境的顶层文件，用Verilog描述;
addr4.spi4位加法器的SPICE网表文件，作为模拟模块;
cmos35.mod工艺库文件，spice仿真时需要的;
vcsAD.init:数模混合信号的控制文件;
cfgxa(CustomSim)的配置文件;
run_xa_vcs混合仿真编译和仿真的脚本
在shell命令窗口，输入run_xa_vcs 回车即可看到整个仿真过程和结果。
打开run_xa_vcs,里面的内容如下：
/bin/rm -rf csrc simv* *.vcd *.fsdb*
vcs -full64 -ad=vcsAD.init testbench.v adder.v -l comp.log -debug_pp -o simv
simv +COMPARE -l sim.log
第一行内容是删除一些临时文件，第三行是执行编译结果，最重要的是第二行。
第二行是VCS 编译的命令，里面加入了数模混合信号的控制文件vcsAD.init，顶层的testbench.v和adder.v。
testbench.v的内容如下：
注意这儿的timescale的精度定义要小心，要比模拟模块的时间精度要小。举个例子假如你在这边设置一个 1ns/1ns, 模拟模块的门延迟只有几十ps，这样信号在数字和模拟接口之间处理的时候，相位就会发生错乱。
adder.v的内容如下：
文件里面的注释拿掉也没问题，这个模块只是用来定义端口的，实际仿真的时候会调用后面的模拟模块。
vcsAD.init的具体内容如下：
第1行的意思是调用xa作为模拟电路的仿真器，模拟电路的网表文件为addr4.spi，调用xa的配置文件cfg。
第2行的意思把addr4这个模块用spice来仿真。
第3-5行定义了信号从数字到模拟接口的定义：
信号从数字模块传到模拟模块，上升和下降时间都为100ps，延迟300ps，逻辑0转换为高电压3.3，逻辑1转换为低电压0，对应接口信号的名称。
d2a的详细语法如下：
第6-7行定义了信号从模拟到数字接口的定义：
信号从模拟模块传到数字模块，电压低于0.6v的时候转换为逻辑0，电压高于2.7v的时候转换为逻辑1，对应接口信号的名称。
a2d的详细语法如下：
第8行不重要，告诉工具在spice网表里面哪些是总线端口，比如a_3 a_2 a_1 a_0作为总线a[3:0]，在对应的verilog仿真文件里面就可以用a作为总线端口。
在这个文件里面，我们还可以加一些其它的配置，比如信号的驱动强度等等。
addr4.spi这个文件跟我们通常的spice仿真文件很类似，里面会调用网表（可以用virtuoso生成）和工艺库，还有一些测量meas语句：
再来看一下xa(CustomSim)的配置文件cfg：
第一行是用于设置xa的仿真精度，3是最低的，7是最高的（接近hspice的精度了）。
第二行是设置输出波形的格式，我这边仿真用的是2015的版本，最新的版本可以把模拟部分输出的fsdb 跟数字部分生成的fsdb 合并到一个fsdb里面，这个版本还不行，输出的结果是2个fsdb。
最后给出输出波形和屏幕显示结果：
通过仿真结果可以知道，以模拟方式手工搭出来的4位加法器，在逻辑上没有问题，当然它的覆盖率没有达到100%啊，有过数字验证经验的可以轻松修改这个testbench。从这个例子我们就可以看到以数字作为顶层的数模混合环境的优势，验证变得非常高效。
