【黑金原创教程】【Modelsim】【第一章】Modelsim仿真的扫盲文

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前言

第一章仿真的扫盲文

1.1 Modelsim 是电视机

1.2 仿真和调试

1.3 理想与物理

1.4 综合与验证

1.5 激励文本（Testbench）

1.6 仿真流程

1.7 建模的切糕

1.8 仿真的切糕

1.9 自动思想的简介

1.10 不可仿真对象的简介

总结

前言

笔者一直以来都在纠结，自己是否要为仿真编辑相关的教程呢？一般而言，Modelsim等价仿真已经成为大众的常识，但是学习仿真是否学习Modelsim，笔者则是一直保持保留的态度。笔者认为，仿真是Modelsim，但是Modelsim不是仿真，严格来讲Modelsim只是仿真所需的工具而已，又或者说Modelsim只是学习仿真的一部小插曲而已。除此之外，笔者也认为仿真可以是验证语言，但是验证语言却不是仿真，因为验证语言只是仿真的一小部分而已，事实上仿真也不一定需要验证语言。

常规告诉笔者，仿真一定要学习Modelsim还有验证语言，亦即Modelsim除了学习操作软件以外，我们还要熟悉 TCL命令（Tool Command Language）。此外，学习验证语言除了掌握部分关键字以外，还要记忆熟悉大量的系统函数，还有预处理。年轻的笔者，因为年少无知就这样上当了，最后笔者因为承受不了那巨大的学习负担，结果自爆了。

经过惨痛的经历以后，笔者重新思考“仿真是什么？”，仿真难道是常规口中说过的东西吗？还是其它呢？苦思冥想后，笔者终于悟道“仿真既是虚拟建模”这一概念。虚拟建模还有实际建模除了概念（环境）的差别以外，两者其实是同样的东西。换句话说，一套用在实际建模的习惯，也能应用在仿真的身上。

按照这条线索继续思考，笔者发现仿真其实是复合体，其中包括建模，时序等各种基础知识。换言之，仿真不仅需要一定程度的基础，仿真不能按照常规去理解，不然脑袋会短路。期间，笔者发现愈多细节，那压抑不了的求知欲也就愈烧愈旺盛，就这样日夜颠倒研究一段时间以后，笔者终于遇见仿真的关键，亦即个体仿真与整体仿真之间的差异。

常规的参考书一般都是讨论个体仿真而已，然而它们不曾涉及整体仿真。一个过多模块其中的仿真对象好比一块大切糕，压倒性的仿真信息会让我们喘不过起来，为此笔者开始找寻解决方法。后来笔者又发现到，早期建模会严重影响仿真的表现，如果笔者不规则分化整体模块，仿真很容易会变得一团糟，而且模块也会失去连接性。

笔者愈是深入研究仿真，愈是发现以往不曾遇见的细节问题，然而这些细节问题也未曾出现在任何一本参考书的身上。渐渐地，笔者开始认识，那些所谓的权威还有常规，从根本上只是外表好看的纸老虎而已，细节的涉及程度完全不行。笔者非常后悔，为什么自己会浪费那么多时间在它们的身上。可恶的常规！快把笔者的青春还回来！所以说，常规什么的最讨厌了，最好统统都给我爆炸去吧！呜咕，过多怨气实在一言难尽，欲知详情，读者自己看书去吧 ...

第一章仿真的扫盲文

1.1 Modelsim是电视机

如果笔者提问Modelsim 是为何物？想必同学们都会认为“Modelsim就是仿真”这种等价的关系。草草而言，该想法只是美丽的误会而已，笔者眼中Modelsim 只是类似电视机的工具。我们知道电视机除了播放功能以外，它甚么也不是。换之，身为用户的我们，使用电视机就要学会开关和调节节目，而不是去研究构造和功能原理。

Modelsim成功播放波形图以后自然可以功成身退。笔者一直以来都无法理解，为甚么会有那么多同学特别纠结 Modelsim 的五脏六腑，笔者不知要佩服他们的挑战精神才好，还是要讽刺他们皮痒才好呢？因为信心满满到的他们，最终都会被Modelsim搞到变成破烂回来，结果实在惨不忍睹。笔者也不是有意中伤他们，因为笔者也是经验者。

Modelsim 有各种各样的版本，除了官方的默认版本以外，还有第二方的自定义版本，如Altera Modelsim SE或者Altera Modelsim PE。以上是 Altera 公司自定义的两个版本， SE 是 Start Edition 亦即入门版本，AE是 Altera Edition，亦即是付费版本。

许多同学都认为 AE一定比 SE 更强更加好用。逻辑上的确如此，不过 AE 与 SE之间宛如 24寸与 19寸液晶显示器的大小差别而已。基本上SE已经足够应付一切仿真应用了，此外SE还有许多功能根本排不上用场。婆婆曾说过做人要节俭，东西够用就好，过多就是浪费，所以笔者告诫读者不要过度纠结 AE，如果读者硬要自寻烦恼的话，那么后果请自负。

笔者知道自己很烦，最后还是要再强调一下，目前同学们只要把 Modelsim当成电视机就好，然而 Modelsim除了学习开关之余，还有就是调节节目而已，至于详细的用法，往后我们会慢慢接触到。

1.2仿真和调试

曾笔者还没讲述“仿真”之前，让我们在根本上先理解仿真和调试的区别。仿真这词的同义虽然接近调试可是仿真却不等于调试。调试用来观察结果，仿真则是观察过程。仿真有“功能仿真”和“行为仿真”两个专业分类，对此调试也有“下线调试”和“上线调试”两个专业分类，让笔者用表格来说明：

表格1.2.1 仿真与调试的对应关系。

并行语言	顺序语言
仿真	调试
功能仿真	下线调试
行为仿真	上线调试

那么，什么是上线调试与下线调试呢？上线调试最为常见的方法就是将程序下载到开发板，然后再观察开发板的结果是否与预期一样，如发出“哔哔哔”声的程序，下去开发板后蜂鸣器发出“哔哔哔”的话，那么程序就合格。此外，上线调试还有较为细腻的方法，就是利用专用的上位程序或者集成环境序同步测试开发板，详细情形笔者就不谈了，有玩过单片机的朋友一定略知一二。

下线调试就是隔着开发板在电脑上模拟程序的测试结果，让笔者用例子详细说明吧。

1.    main()

2.    {

3.        int varA = 1;

4.        printf( "%d", varA );

5.    }

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

代码1.2.1

代码1.2.1大意是指，第3行声明整型变量varA然后赋予初值16，然后再第4行使用打印函数——printf 输出 varA的储存结果。假设varA的储存结果1对应LED点亮，那0对应LED消灭。如代码1.2.1所示，它会告诉我们LED最终会点亮，因为varA被赋予初值1。

所谓下线调试就是在没有开发板的情况下，利用模拟环境取得假想结果，假想结果再经由大脑进一步脑补（反映）实际的情况。如代码1.2.1所示，当我们在集成环境（IDE）按下 <F5> 或者 <F6> 的测试热键，varA的输出结果“1”就会在集成环境的信息窗口显示出来。再来经由我们自己脑补道：“varA的输出结果是1，那么开发板的LED是点亮的”。

到目前为止，笔者也只是大概讲述一下“调试”的内容而已，事实上“仿真”的内容比起“调试”还要麻烦许多，如果读者要确确实实理解调试与仿真之前的实际区别，读者就必须从语言的本质开始理解。

在笔者的眼中，一些高级语言如 C, C++, Java 等都视为顺序语言，此外还有古老的Basic 和汇编也是一样。为什么笔者之将它们称为顺序语言呢？原因很单纯，因为这些语言是按着顺序的步骤在执行操作，举个例子：

1.    main()

2.    {

3.        varA = 1;

4.        varB = 2;

5.        varC = 3;

6.    }

代码1.2.2

代码1.2.2的3~5行是varA，varB与varC的赋值操作，先是varA赋予1值，然后varB再赋予2值，最后varC赋予3值。在此之间，varB的赋值操作需要等待 varA的赋值操作完毕之后才能执行，同样varC 的赋值操作需要等待 varB赋值完毕之后才被执行。varA，varB与varC之间的赋值操作延迟也称为”步骤差“。

故名思议，顺序语言会让我们普遍将代码以步骤的单位去认为，如果步骤1不完成执行，步骤2就无法继续，其它以此类推。笔者再将代码1.2.2换成另一个形式看看：

1.    main()

2.    {

3.        varA = 1; varB = 2; varC = 3;

4.    }

代码1.2.3

代码1.2.3是将代码1.2.2的3行集为1行，然后我们会这样解读代码： ”第3行，varA赋予1值，varB赋予2值，varC赋予3值。“，笔者再顽皮一点，继续胡搞代码1.2.3：

1.    main()

2.    {

3.        varC = 3; varB = 2; varA = 1;

4.    }

代码1.2.4

代码1.2.4是将代码1.2.3的赋值操来回颠倒，然后我们会这样解读代码： ”第3行，varC赋予3值，varB赋予2值，varA赋予1值。“，无论笔者怎样胡搞varA，varB与varC的位置，我们都无法割舍步骤这个单位去解读代码中 varA 与 varB 还有 varC的赋值过程。因为只要失去“步骤”我们就会迷失解读的方向，这是顺序语言的特征，我们也可以说“步骤就是支撑整体顺序语言最基本的结构”。

在此读者必须理解，“平常我们就是太习以为常使用步骤这个单位去解读代码，不知不觉习惯就成为理所当然”，但是事实却好相反，这种想法还有这种思路也仅限于“调试”这个框架而已。此外，读者还必须理解“步骤”只是可视的宏观单位而已，然而不可视的微观单位却是“指令”。假设varA = 1的赋值操作，可视步骤也只有1个，但是在隐藏中，varA = 1这样简单的赋值操作到底需N个指令完成，完全取决与编译器的编译质量。

对于我们这些只会认为肉眼看见才是事实的小白而言，指令就像不存在与人界的幽灵般，时而增多时而减少，尽是虚幻也难以捉摸。除此之外，处理指令所需的时钟，也会根据指令的版本，处理器的工艺等因素产生改变。讲白点，调试只会输出步骤的结果却无视指令的内容，它也会无视时钟的消耗数。

因此读者必须理解，调试一般离不开顺序语言，宏观上顺序语言需由由步骤这个可视单位支撑。微观上，步骤则是由无数的指令在后面支撑着，然而指令的内容还有时钟的消耗数都是隐藏内容。总结说，调试只在乎步骤在表面上产生的结果而已，又或者说是追求单向结果。

笔者一直以来都在不停思考，为什么Verilog HDL 不使用“调试”而是“仿真”这词呢？有些朋友可能会认为笔者有点过于钻牛角尖了，对此笔者不敢否认，但是那种违和感时时刻刻都在折磨笔者，笔者也十分焦急想将它揪出来。我们知道“调试”与顺序语言有切不断的关系，然而“仿真”却与并行语言有着强烈的羁绊。

所谓的并行语言有如VHDL或者Verilog HDL 等各种描述语言，描述语言不像顺序语言有步骤支撑整体的顺序结构，结果描述语言显得结构自由，甚至称为没有结构的地步。顺序语言每一个关键字都在暗示处理器的处理行为，然而描述语言每一个关键字只是描述手段，我们用它在白纸上绘出我们想要的“形状”。

顺序语言与并行语言之间最大的差异就是，顺序语言每一个时钟只能执行一个步骤（如果这个步骤在一个时钟内完成的话），然而并行语言可以在一个时钟内执行千千万万个步骤，上限是没有尽头的。顺序语言之所以不关心时钟，那是因为时钟不仅隐藏而且还无法控制。反之，并行语言的时钟不仅开放也能控制。

仿真有“功能仿真”还有“行为仿真”两大分类，如表格1.2.1所示。功能仿真与行为仿真的差别，即前者是下线，后者则是上线。一般所谓的仿真就是“功能仿真”，而不是行为仿真，为了避免浑浊，往下内容笔者皆用“仿真”来表示“功能仿真”。至于行为仿真已经超出本书的范围，怒不解释。

仿真是一件很麻烦的事情，而且“仿真”也不像“调试”那样，只要轻松按下 <F5> 或者 <F6> 等调试热键，信息就会像水一样，花啦啦地打印出来。换之，执行仿真之前必须经历许多准备工作，如创建仿真对象，编辑仿真环境，仿真之间必我们必须一边追踪过程，一边解析信息。

笔者曾说过调试是追求单向结果，如果用仿真来比拟调试，调试是用来断定某个信号在某个时钟的某个结果而已，如：信号B在时钟T10的结果是逻辑0，又或者数据C在时钟T12的结果是8’hAA。反之，仿真是追求多向过程，亦即N个信号在所有个时钟发生里什么结果，如：模块A，有信号A与数据B，而且模块A的一次性操作需要耗时10个时钟，那么仿真会用来观察信号A与数据B在10个时钟内的结果变化。

笔者曾被仿真杀死过许多次，如果不是它在笔者最绝望的时候拉笔者一把，如今笔者就是一只怨气十足的冤魂了。学习仿真就像处于金庸所描述的江湖般，那里存在许多各种帮门流派，其中一种称为传统流派，也是网络流传已久的右翼硬派，门徒最多，死人也是最多。初落平阳的笔者为了寻求照应，就这样糊里糊涂加入其中。

期间笔者至少死过十余来次，最后终于支持不住，一心来到崖边寻求解脱。那是笔者的人生当中最黑暗的一刻，就在跳下的瞬间，一直温柔却有力的右手揪主笔者，然后让笔者感动不已的声音传遍全身：“孩子，千万别做傻事，明天总有希望！”，此刻是笔者最痛哭的一次。

为了寻找仿真之道，为了知晓那份违和感 ... 经过七七四十九天的闭关以后，歪道终于开窍，所有问题自然迎刃而解。歪道是什么？那是完全背离传统的知识，它像毒瘾一般让人深入无法自拔，甚至落沦魔鬼。歪道宛如不懂善恶的恶魔一般，只会给予方法却不会承担后果，这是沾染歪道的唯一风险。

1.3理想与物理

理想与物理就像梦想与现实之间的关系 ... 我们知道现实世界（物理）是充满病痛，鄙视，欺骗还有杀戮等各种悲剧的复合空间，然而传统流派就是基于它们。笔者第一次踏入传统流派的大门，一股恶寒经由脚根直达脊椎，全身也不禁颤栗起来。反之，理想想世界却是现实的相反，那里不存在任何悲剧。

闭关期间，笔者曾经穿梭诸神逗留的乌托邦，眼前出现的一切不经让笔者目睁口呆。在那里，生命都有黄金比例的结构，大伙都是协调相处，啊！多么理想的世界 ... 对！这就是笔者向往的世界，也是仿真应该演变的方向，而不是那坑坑爸爸的物理世界。我们知道时序就是寄存器还有组合逻辑产生的活动（信号），传统流派强调时序应该接近物理，亦即物理时序，反之笔者强调时序是理想完美，亦即理想时序。

图1.3.1 理想世界与物理世界的寄存器。

图1.3.1显示有两个世界的居民，左图是理想世界，右图是物理世界。理想世界是非常整洁的世界，不像物理世界存在许多物理元素如： Tco/Tsu/Th 等寄存器特性以外，还有 tPath等物理延迟。初学的朋友可能会问：什么是寄存器特性？什么又是物理延迟？，朋友可以将它们想象为阻碍寄存器沟通的障碍。

图1.3.2 理想时序与物理时序。

图1.3.3是寄存器之间的活动记录（沟通记录），亦即时序，也是该世界唯一可视的信息。左图是理想世界产生的理想时序，右图是物理世界产生的物理时序。根据左图所示，寄存器1在T1的时候向寄存器2发送（启动）数据，接着寄存器2便在T2接收（锁存）并且输出。根据右图的表现，寄存器1在T1向寄存器2发送数据，可是数据遭受Tco的妨碍之余，还被Tpath拖后腿，最终数据在T4被寄存器2读取，不过寄存器2在读取之间还要考虑 Tsu与Th是否满足。

左图是非常整洁又高效的沟通过程，然而右图是沟通过程非常烦乱。试问读者，哪一个时序图更加顺眼更加容易解读？答案理想是理想时序，不是吗？在此，心机重的读者可能会反驳道：“叫兽说过时序不能能缺少物理元素，如果物理元素被吃掉，时序还是时序吗？”可怜的读者，叫兽就是风水师，骗人骗到祖宗十八代也不奇怪。

首先我们必须理解，所谓仿真就是在虚拟的环境下运行模块，测试功能是否按照预期执行。为此，我们为何不取最理想的结果呢？举例而言，假设模块A，要求T1拉高输出，然后T2拉低输出。为此，仿真仅是单纯地观察它是在T1拉高输出，然后在T2拉低输出——这是理想状态。而不是观察模块A在1ps拉高的电平是多少V，2ps拉低电平多少V——这是物理状态。

再者，笔者也强调过，Modelsim只是一台电视机而已，功能就是播放波形（时序），这种情形宛如读者看电视，要享受当然选择高清节目，而不是走色的崩坏节目。理想时序就是高清节目，物理时序就是崩坏节目，仿真就是享受高清节目这么一回事，读者能理解吗？

在此，有些同学可能会不安道：“物理时序该怎么办？物理元素该怎么办？”。为此，先让笔者帮忙消除不安：

1) Tco/Tsu/Th 寄存器特性，或者 Tpath 等物理延迟，理想时序都会无视。

2) Modelsim只是一台电视机而已，它可以播放理想时序也可以播放物理时序，不过没有傻子会喜欢崩坏的节目。

3) 物理时序Modelsim 虽然可以播放但是无法解决。此外，各大FPGA厂商早已经为物理时序准备好各种仿真和纠正的工具，如TimeQuest。

4) 笔者也准备好物理时序的教程。

读者用不着担心理想时序多难学习，事实上理想时序相较物理时序更加容易掌握。再者，笔者爱用的建模技巧，仿真技巧，整合技巧，甚至静态时序分析，都有应用理想时序。

理想时序作为设计是非常重要的概念，尤其是仿真的环节上，它不仅可以减少仿真的难度，也可以减轻激励文本的编辑工作，还有内容的解读。

它曾说过：“理想的开始就是成功的一切”，这句话暗喻心情的重要性，理想或者美丽的东西会舒缓心情，结果高产。反之，瑕疵还有丑陋的东西会搞坏心情，结果难产。这种感觉好比新年图新，什么都是新，华人相信新东西除了示意好开始之外还有圆满和理想的含义，因为新东西没有肮脏和瑕疵。

1.4综合与验证

描述语言专业分类有综合语言和验证语言，一般认为综合语言用来设计，验证语言用来仿真，说实说那是放屁！笔者还记得第一天学艺的时候，师兄当下给笔者递过一本厚厚的书籍，封面写着“验证语言”，笔者随意一翻，蛋蛋立即落在地上。因为内容仅是意义不明的关键字还有语法。

师兄最后还说道：“今天给老子啃完，不然明天把你干掉 .... ”

许多新手曾是那样，综合语言还没有掌握又要立即学习验证语言，不然仿真就无法开工。老实说，别开本大爷的玩笑了！拜托了，笔者是人不是吸尘机，不可能在短时间内吸收那么多东西。学习和恋爱一样，不能同时一脚踏两船，不然进度会进入两头不到岸的窘境 .... 直到最后，不管综合语言还是验证语言，半桶水的程度也没有达到。

此外，验证语言也会随着年份拉长，内容也会不断增加，如Verilog 1993 进化到 Verilog 2001（据说未来还会继续增长）。只要稍微打开手册一看，我们立即就会发现验证语言占满全量的4/5，这点无疑是一起厚重的压力。闭关期间，笔者一直苦思冥想：“仿真的定义是什么？为什么仿真离不开验证语言呢？”不知不觉，笔者的意识再度穿梭诸神逗留的乌托邦。

它告诉笔者：“物理世界有资源却有法则束缚，理想世界没有资源也没有法则束缚，真是一言惊醒梦中人。仿真是利用虚拟的环境取得假想的结果。然而，这个虚拟环境，假想空间，没有所谓的物理限制，如：理想的FPGA有数不尽的逻辑资源，开发板要什么硬件就有什么硬件。但是这个虚拟环境却没有实际的资源，如时钟信号什么的。为此，我们需要利用验证语言产生虚拟的时钟信号。

上面的内容告诉我们一个非常重要的信息，亦即仿真也是建模，不过是虚拟建模，它虽然不会局限于硬件，但是需要模拟实际资源，为此需要用到验证语言。为此，笔者得到这样一个问题，如果验证语言可以用来描述虚拟的资源，为什么综合语言不能用来描述虚拟的资源呢？。

实际上，仿真只要最小利用验证语言而已，例如产生时钟信号什么的，之余其余的描述工作，我们都可以交由综合语言去搞定。这是笔者最活跃的仿真思想，把仿真当成建模来玩。反之，传统流派的仿真概念好像被堵塞的臭水沟一样非常死非常臭，仿真和建模有绝对的分割线划开，建模就是综合，仿真就是验证，两者没有深切的关系。反之笔者却认为，仿真与建模不仅关系深切，而且两者之间只有概念的差别而已，即一个是虚拟建模，一个则是实际建模。

1.5激励文本（Testbench）

激励文本或称激励文件，英文名为 Testbench，常见的后缀名有 .vt 与 .tb。笔者曾问过师兄，激励文件是什么，师兄却怒吼道： ”激励文件就是激励文件啦，怎么！想死吗！？“，这是传统流派给予的回答。根据笔者的妄想，激励文本宛如绘出虚拟世界的一张白纸，亦即仿真环境。然而，我们就是创建这个环境的神明.

身为神明，我们有5项重任：

1) 产生环境输入。

2) 建立仿真对象。

3) 产生虚拟输入。

4) 产生虚拟输出。

5) 观察世界，更正世界。

图1.5.1 神明的任务之一。

如图1.5.1所示，那是仿真环境最基本的的概念。首先是环境输入，环境输入一般则是模块所要的时钟信号还有复位信号，它们都是最基本的需要，这种感觉好比水源，空气等 ... 任一缺少仿真环境也无法成立。仿真对象好比居住在仿真环境的生物，它一般先在集成环境建模，然后实例化在激励文本当中，我们当然也可以直接在激励文本中描述仿真对象。

虚拟输入又指刺激，这种感觉好比生物的生存危机，如外敌如入侵，资源干枯等。仿真对象除了需要环境输入，仿真对象也要虚拟输入刺激才行。虚拟输入又分为基本输入与反馈输入，基本输入可以视为第一刺激，反馈输入则是第二刺激，形象点说：假设外星人入侵地球，此为人类的第一刺激。事情发生以后，人类不仅没有团结，而且还出现叛徒，这是人类的第二刺激。

除了，环境输入还有虚拟输入以外，激励文本还有虚拟输出。虚拟输出又指反应，这种感觉好比生物对应危机的反应。虚拟输出也有基本输出与反馈输出之分，它们也称为第一反应与第二反应。这种感觉好比外星人入侵地球以后，有些人会绝望，有些人会反抗，有些人宁愿成为走狗，此为人类的第一反应。为了解决那些叛徒，联合国实现全名监控，此为人类的第二反应。

图1.5.2 神的任务之二。

仿真环境对神来说不过是心血来潮的实验场所而已，神闲来无事创建了仿真环境A，不久之后生物B便诞生。神为了刺激生物B进化，神召唤外星人攻击生物B，此刻生物B会出现各种抉择。如图1.5.2所示，那是仿真环境的演化过程，也是仿真环境的运动，亦即时序。作为神，我们的眼睛“全能之眼”时常处在高处窥视一切，如果觉得那里不顺眼就插手哪里。

例如神觉得外星人入侵太无趣了，于是顺便召唤陨石下来（更动虚拟输入） ... 又或者神觉得生物B太弱了，然后强化它们（更动仿真对象）。再假设神觉得演化步伐太慢了，结果神加快时间的流失（更动环境输入）。在此，读者可能会觉得这个神太可恶了，把生物当成玩具来玩 ... 嘛，别激动朋友，仿真本来就是那么一回事。

笔者说过，仿真既是虚拟建模，为此笔者开始自问：“激励文本是不是也要结构？”。答案是肯定的，激励文本有两种结构性，其一是布局的结构性，还有激励内容的结构性。

图1.5.3 布局的结构性。

如图1.5.3所示，那是笔者根据习惯，然后为激励文本所建立的布局结构。环境输入一般都是置于激励文本的最顶端，余下是仿真对象的实例化，接下则是虚拟输入还有虚拟输出，最后就是其它。好奇的同学可能会怀疑布局结构的重要性，这位同学试想一下，如果世界万物失去结构会是怎样的场景呢？是不是无法想象呢？根据笔者的认识，激励文本之所以需要布局结构，其一是为了维护激励文本内容，其二是为了节能。

除了布局结构以外，激励文本还有激励内容的结构性。笔者一般都将虚拟输入还有虚拟输出称为激励内容又或者激励过程。那是因为虚拟输入还有虚拟输出原本就是一组操作，而且操作都是经由无数步骤组成。笔者曾经说过，描述语言是自由结构的语言，步骤又是顺序操作的单位，默认下它是没有结构它的，为此笔者应用了低级建模的用法模板。

1.    reg [3:0]i;

2.

3.        always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )

4.            if( !RESET )

5.                begin

6.                    i <= 4'd0;

7.                    Start_Sig <= 1'b0;

8.                    WrData <= 8'd0;

9.                end

10.              else

11.                  case( i )

12.

13.                         0:

14.                         if( Done_Sig ) begin Start_Sig <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

15.                         else begin WrData <= 8'd8; Start_Sig <= 1'b1; end

16.

17.                         1:

18.                         if( Done_Sig ) begin Start_Sig <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

19.                         else begin WrData <= 8'd9; Start_Sig <= 1'b1; end

20.

21.                         2:

22.                         if( Done_Sig ) begin Start_Sig <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

23.                         else begin WrData <= 8'd10; Start_Sig <= 1'b1; end

24.

25.                         3:

26.                         begin i <= i; end

27.

28.                    endcase

29.

30.        /***********************************/

代码1.5.1

如代码1.5.1所示，那是虚拟输入应用用法模板以后的例子。其中我们可以看见步骤i指向步骤，指向操作。用法模板除了为激励内容提供最基本的顺序结构以外，用法模板还会帮助我们节能。因为，如果仿真对象还有激励内容都有相同的用法模板，那么两者之间都能应用相同的思路，还有相同的习惯。

1.6仿真流程

图1.6.1 仿真流程图。

为了帮助小白扫盲，笔者绘出简单明了的仿真流程图。如图1.6.1所示，里边拥有许多流程与分支，然而一切流程与分支都起源于“集成环境”。接下来，让我们从“集成环境”开始，然后来了解各个流程与分支。

流程1：

1) 集成环境生成软模块，也是俗称的建模。

2) 软模块经过综合工具成为硬模块，也是俗称的综合或者编译。

3) 硬模块生成以后便下载到开发板观察输出，如果输出结果不理想，就返回步骤1。

软模块和硬模型都是笔者的专用语，软模型是意思是指综合之前或者下载到开发板之前的理想模块，没有实际的逻辑资源。反之，硬模型意思是指物理模块，拥有实际的逻辑资源。流程1也称为上线调试，亦即典型的调试方法，只要结果不符合预期，步骤就会返回开始，然后重复流程。该调试方式虽为最笨但也是最管用，不管调试对象是什么都适合。

流程2：

1) 集成环境生成软模型。

2) 软模型经过仿真工具编译成为仿真对象。

3) 创建激励文本。

4) 激励文本作用仿真对象经由仿真工具输出波形（理想时序图）。

流程2是仿真最基本的仿真步骤，流程2相较常规的仿真流程，只有细节上的大同小异而已。在此有些读者可能会觉得疑惑，软模块与仿真对象都是理想模块，两者之间的差异究竟在哪里？理论上来说，软模块是未经加工的生肉，而且本质理想。换之，仿真对象是经过仿真工具加工过的正肉，本质也是理想。

流程2之后会产生3条通往不同分支。

流程2，分支1（仿真结果符合预期）：

1) 仿真结果符合预期以后，流程会返回集成环境。

2) 软模型经过综合成为硬模型。

3) 硬模型下载到开发板观察输出，如果输出结果不理想返回步骤1。

流程2，分支1基本上是流程1的翻版，亦即仿真结果符合预期，但不等于实际效果是否理想，所以需要进一步将软模块综合成为硬模块，再下载到开发板观察输出是否达到预想效果？如果是，流程结束；如果不是，重复流程1。

流程2，分支2（仿真结果不符合预期，仿真对象有问题，返回集成环境）：

1) 仿真结果不符合预期以后，流程返回集成环境更正软模型。

2) 更正以后的软模型，再经过仿真工具编译成为仿真对象。

3) 仿真对象经由仿真工具输出波形（理想时序图）。

流程2，分支3（仿真结果不符合预期，仿真对象有问题，返回仿真工具）：

1) 仿真结果不符合预期以后，流程返回仿真工具更正软模型。

2) 更正以后的软模型，再经过仿真工具编译成为仿真对象。

3) 仿真对象经由仿真工具输出波形（理想时序图）。

流程2，分支2与3直接的差距就是第二次更正的软模型是经过集成环境还是仿真工具。在此，可能会有同学觉得疑惑它们之间的差异何在？集成环境拥有较强的更正能力，但也更加耗时耗力；相反，仿真工具的更正能力虽然不及集成环境，但是耗时耗力相对较小。不管选择哪一种分支，都是见仁见智的事情。

此外，还有一个关键点，一些仿真对象可能会携带官方插件模块，许多时候仿真工具都对官方插件模块的支持不怎么友善，主要问题是编译手段还有仿真库的问题。安全起见，那些携带官方插件模块的仿真对象返回集成环境会比较妥当。

流程2，分支4（仿真结果不符合预期，激励文本有问题）：

1) 仿真结果不符合预期以后，流程重返更正激励文本。

2) 更正以后的激励文本再作用仿真对象输出波形图（理想时序图）。

流程2，分支4是激励文本有问题，除了最基本的语法错误以外，读者还要注意一下。仿真工具的编译器比较别扭，必须遵守先声明后调用这个规则。相比之下，集成环境的编译器比较醒目，声明还有调用的次序上下颠倒也没有问题。所以说，集成环境编译成功并不代表仿真工具一定编译成功，其中一定出现声明调用的次序问题。

总结来说，图1.6.1只是自定义的仿真流程而已，实际流程会因人而异。图1.6.1是笔者的经验总结，也是笔者的想象力爆发。它曾说过：“流程会根据平衡发生变化 ... ”，这句话足让笔者深思许久，流程充其量只是便利的指南而已，活物不是跟死流程的机械人，所以笔者非常建议，流程看看以笑笑就好，不要过度纠结。

1.7建模的切糕

切糕是什么？切糕是梦幻般的硬通货，传说投资切糕比起金银还有房地产更实在。市价好的时候可以换钱，灾难来的时候可以充饥，此外也有切糕达人一夜巨富的故事 ... 啊哈哈，以上纯属恶搞而已。切糕是新疆的传统食物，既是玛仁糖，也是体积庞大的饼干，模块好比切糕，其实这种比喻一点也不夸张，还不如说再适合不过。一个系统模块的份量，差不多是一座200公斤重的切糕.。

图1.7.1 传统建模，单文件（单模块），多文件（多模块）。

传统建模有单模块与多模块之分。如图1.7.1所示，假设有四个模块A，B，C与D，左图是多模块建模，模块A与模块B各有独自的 .v文件，模块C与模块D则共用一个 .v文件。右图则是单模块建模，也是笔者常常讽刺的单文件主义，这里所有模块共处于一室。传统建模都有一贯的致命缺点，就是没有结构性可言。接下来，让笔者逐个分析它们的缺点吧。

首先是单模块建模，也是初学者最常犯的问题，所有模块都强挤在一起，虽然在编辑方面有过人之处，作为代价，单模块建模却为后期工作带来许多麻烦。单模块建模宛如所有代码集于一身的Main函数一样，不过别忘了，并行语言不是顺序语言，它没有“步骤”这个最小的单位去支撑。此外，单模块建模不仅拖累模块的表达能力，单模块建模也不适合仿真。这种建模过度集中的情况，最终会演变成一块大切糕。

仿真还没有开始之前，我们的心情就被切糕一样大的模块搞砸了，200公斤绝对不是普通人可以应付的重量，到头来，我们也只能傻乎乎看着它而已。所以说，要一口气搞定切糕一样大的模块绝非易事，于是人们开始动脑思考对策 ... 如果整座切糕无法处理，我们是否可以分块处理恶？就这样“多模块”的思想开始流行起来。

传统的多模块建模如图1.7.1左图所示，模块A，B，C，D分别分散在各别的.v文件里，模块虽然有分化，但是模块却没有规则分化。这种感觉好比没有规则切整座切糕，结果每块小切糕都高矮不一。人类是一种自欺欺人的生物，人们以为只要分散整座切糕，压力就会不复存在，可是事实确是如此嘛？在此之前，先听笔者讲个故事：

某天，小明不幸在森林里迷路，衰到极点的小明被一只饿狼追杀，小明只有不停向前逃命而已。忽然间，眼前的状况把小明愣住了，因为眼前出现2条以上的分叉路，就在小明犹豫的一瞬间，饿狼就把小明推到了，可怜的小明死因却是一瞬的犹豫。可能读者会吐糟小明笨，干嘛停下犹豫，总之先跑再说 ... 旁人总是在旁冷言冷语，因为它们不是当事者也无法知晓小明，同时它们也忽略一个重要的关键，那就是“小明当下的状态”。

小明之所以失去冷静，是因为焦急，为什么焦急，因为被饿狼追赶，然后最该死的关键是突如其来的分叉路，它害死小明出现片刻的犹豫。当我们在执行仿真的时候，我们的处境就好比小明，不 ... 应该说是比小明更糟，因为小明起码被一只饿狼追杀而已。一只饿狼的好比一个过程在运行。

并行语言发生问题绝不仅一处，换句话说Verilog绝非一个时间执行一个过程，而是同一个时间有无数过程在同步执行。这种情况好比N只饿狼同时在追赶读者，普通人类根本无法同时应付N只饿狼。再者，无规则分散模块会将仿真搞成像迷宫一样，如果读者同时被N只饿狼在迷宫里追杀，想必读者的结局比小明更加惨不忍睹。为什么呢？原因很简单，无规则分散模块会将无数过程搞成错综复杂，在此犹豫的时间一定会多过小明，人一旦犹豫就会忘记如何前进。

曾经何时，笔者也像小明一样，同时被N只饿狼追赶，然而无规则分散模块的后果，仿真相似迷宫一样让足笔者琢磨不定，失去方寸，找不到仿真的切入口。仿真从模块A开始？还是从模块B？除此之外，激励文本的编辑工作也非常混乱。模块A与模块B应该共享一个激励文本？还是模块A与模块B拥有各自的激励文本呢？想着想着，就觉得头好疼，蛋蛋好不舒服。

圣者说过：“胡乱分散就是混乱”，不规则分散模块会导致模块变成迷宫，然后丢失仿真的方向。既然如此，我们还不如不分散为好，可是整座模块的压力实在太大了，不分散又不行。结果分也不是！不分也不是！左右为难，还不如死去算了！冷静点我的朋友，切糕一定要分，不过要有规则还有标准。

图1.8.1 低级建模的基本模块。

这种标准就是“功能”。模块按功能分化，这种感觉好比切糕按公斤划分。模块除了按“功能”量化以外，模块也根据按照“功能”类化。如图1.8.1所示，那是低级建模的基本模块，分别有控制模块，和功能模块。控制模块有正方形的外观，属于“控制类”；功能模块有长方形的外观，属于“功能类”。无论是哪一种模块，它们都遵守低级建模的准则，亦即“一个模块，只有一个功能”而已。

假设一套进食动作有以下几个步骤：

1) 举起食物

2) 张开嘴巴

3) 送入嘴中

4) 闭上嘴巴

5) 咬碎食物

6) 吞入肚子

一套完成的进食动作，基本上由6个步骤组成，每个步骤可以视为“功能类”。然而，左边的数字1~6却可是视为“控制类”。

图1.8.2 用餐模块化。

一套进食动作按照“功能”分化以后，结果如图1.8.2所示。每一个模块仅有一个功能类，如：举起食物，张开嘴巴，送入肚子，闭上嘴巴，压碎食物，送入肚子都是拥有一个模块”。至于用餐步骤，它属于“控制类”，它也有一个模块。

如果一座大切糕可以品均又有规划，分散成为每块小切糕的话，那么每块小切糕好比独立的个体一样 ... 这种感觉好比整座切糕被分散成为无数可以承受的最小份量，最后再由耐心将全部慢慢吃掉。模块有规则分化以后，功能的复杂度也会跟着简化，形象点说就是一座复杂的大迷宫，无数分散成为简单的小迷宫，如此一来仿真就不容易迷路了。此外，控制模块也好比迷宫的入口一样，一切从它开始。为此，我们可以这样说：有规则分化模块除了可以简化迷宫以外，它也为仿真建立入口。

除此之外，该准则还有一个好处就是分散功能，分散过程，举例而言：一个大功能好比10只饿狼的狼群，面对它们我们不仅没有胜算，而且压力也很大了。不过，大功能经过分散以后，10只饿狼的狼群也会因此分散成，我们虽然不能一次单挑10只饿狼，但是我们可以10次单挑1只饿狼。

总结来说，有规划分散模块除了上述的好处以外，有规划分散模块也会为人带来好心情。这种感觉好比切糕太大我们会觉得反胃，切糕切成稀巴烂我们也会觉得恶心，不管哪一种情况都会影响我们进食的心情，仿真也是一样的道理。还有一点读者必须好好记住，建模还有仿真有千丝万缕切不断的关系，前期有好的建模，后期就有轻松的仿真。

1.8仿真的切糕

笔者曾在1.8小节当中说过，单模块或者没有规则的多模块建模会将仿真搞成迷宫，让仿真失去方向，最糟还会搞坏心情。反之，有规则的多模块建模，不仅会简化迷宫也会给仿真前带来好心情。切糕除了出现在建模以外，切糕也会出现在仿真之前还有仿真之间。不过切糕又会以什么形式出现在仿真当中呢？这个问题就让笔者来慢慢长谈吧，好让读者有个深刻的认识。

图1.8.1 激励文本。

笔者曾在小节1.5介绍过激励文本的作用。根据笔者的习惯，激励文本可以按着图1.8.1所示的次序插入相关激励内容。处于激励文本的顶端是环境输入，其次就是仿真对象。仿真对象一般都是先在集合环境里完成建模，然后再经由激励文本将其实例化成为仿真对象，如：

function_module.v

module function1( input CLK, input RESET, input SigD, output SigQ );

...

endmodule

function_module.vt

module function1_simulation();

function1 U1( .CLK(CLK), .RESET(RESET), .Sig(SigD), .SigQ(SigQ) );  // 仿真对象实例化，出入端声明

...

endmodule

代码1.8.1

笔者先在集成环境里创建名为function1的模块，为了仿真function1模块，笔者必须事先建立仿真环境。为此，笔者建立一个名为function1_simulation的仿真环境名，然后将 function1实例化为U1，过程如代码1.8.1所示。

根据代码1.8.1所示，function1有4个出入端，亦即 CLK信号，RESET信号，SigD信号，还有SigQ信号。在此，读者尝试想象一下，像整座像切糕一样大的模块到底有多少出入端呢？答案是肯定的，亦即非常多，而且还多到不可想象。过多的出入端无疑会拉长激励文本，结果导致激励文本成为臃肿的大肥，这是切糕出现在仿真中的第一种形式。

根据笔者的经历，20几个出入端还算是小切糕的程度而已，随着建模层次不断提升，出入端的数量也会不断增加，一个系统模块有50来个出入端也是非常普遍的事情。分散模块就是了预防这个问题，逻辑而言，模块愈是分散，出入端的数量理应也会分散，而且实例化也会变的更加轻松，激励文本因此也会变得更加苗条。浏览苗条的激励文本，好比我们观察苗条的美女一般，骨干的美丽还有完美的曲线（简洁直观的内容），不仅令我们流失压力，也让我们的心情变得愈加愉快，情绪越来越有干劲。

知晓切糕的第一种形式以后，接下来让我们寻找切糕的第二种形式。

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出入端过多除了拉长激励文本以外，它也会影响激励过程的编辑工作。激励文本有两种激励内容，亦即虚拟输入还有虚拟输出，尤其是虚拟输入，出入端的影响会是更重。

图1.8.2 虚拟输入。

  reg [3:0]i;

2.

3.        always @( posedge CLK or negedge RSTn )

4.            if( !RSTn )

5.                      begin

6.                      Pin_In = 1'b1;

7.                      i <= 4'd0;

8.                  end

9.             else

10.                 case( i )

11.

12.                        0,1:

13.                        begin Pin_In <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end

14.

15.                        2:

16.                        begin Pin_In <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

17.                        .....

18.

19.                  endcase

代码1.8.2 虚拟输入。

虚拟输入有基本输入与反馈输入，图1.8.2还有代码1.8.2则是基本输入最简单的例子。

如图1.8.2所示，激励内容经由 Pin_In产生基本输入刺激仿真对象。

图1.8.3 反馈输入的假想图。

1.        reg [3:0]i;

2.        always @ ( posedge CLK or negedge RSTn )

3.            if( !RSTn )

4.                  begin

5.                          i <= 4'd0;

6.                         A <= 8'd0;

7.                         B <= 8'd0;

8.                         Start_Sig <= 1'b0;

9.                end

10.              else

11.                  case( i )

12.

13.                          0:

14.                         if( Done_Sig ) begin Start_Sig <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

15.                         else begin A <= 8'd2; B <= 8'd4; Start_Sig <= 1'b1; end

16.

17.                 endcase

代码1.8.3 虚拟输入。

图1.8.3还有代码1.8.4则是反馈输入简单的例子。首先，仿真对象会根据基本输入的刺激产生相关的反应，即基本输出。如代码1.8.3所示，在步骤0当中，A赋值 8'd2， B赋值8'd4，Start_Sig 则拉高，这是基本输入。仿真对象完成操作以后，它会经由 Done_Sig 反馈完成信号，这是基本输出。虚拟输入接收Done_Sig以后，便会拉低 Start_Sig，这是反馈输入。

眼睛犀利的同学想必已经猜想到切糕处的第二种形式了吧！没错，仿真对象的功能越是复杂，出入端的数量就越多，期间激励内容的编辑工作不仅会变得繁重，而且激励文本也会越来越臃肿，内容变得非常杂乱。当简单的内容剧增到某种程度以后也会变成枯燥乏味，这种感觉好比读者被老师罚写名字，假设读者有“王一二”般的简单名字，假设老师罚写500次，就算名字再怎么简单，读者也会哭死。激励内容的编辑工作也是同样的道理。

笔者相信解读时序信息是最头疼问题 ... 但是，让真正笔者担心是没完没了的时序。我们知晓顺序语言如果当前的步骤无法奏效，那么问题一定是上一个步骤有地方弄错了，顺序语言好比单行通道一样，就算通道再长问题再多，只要努力的走下去，黎明一定会出现。

红苹果敲响牛顿的头，让他发现万有引力，不过野心勃勃的牛顿预想挑战万有定律，牛顿最后发现万物只能按照时间演变下去，这种感觉好比我们走在又长又暗的单行通道里，单调即无趣。牛顿虽然克服万有定律，但是他的人生观宛如牛顿力学一般非常消极，因为人生只能按照时间一直走下去而已 ... 这种情况，我们称为单向。

牛顿死后几个世纪，量子邪说也随之兴起，量子力学之所以称为邪说是因为主意完全违背牛顿力学，举例来说：一只猫将其关在盒子里始终不打开，根据邪说，世界很可能会分支成为两条不同演化的世界线，亦即并行世界。世界有可能走向猫已死亡的世界线A，世界也有可能走向猫还活着的世界线B，其中猫死亡与否是造就世界线A与B的变数。

这种情况，我们称为多向。

仿真可是单向，也是多向。多向的仿真好比量子邪说般，信号亦即变数，仿真对象的功能越多，信号的数量理应也是一样多，结果变数也会变多。变数会衍生分支，无数的变数最终会衍生数之不尽的分支，从而海量化仿真信息。

图1.8.4 ps2接口模块的建模图。

为了给予读者一个感知的认识笔者就用一张建模图来解释。如图1.8.4所示，那是一幅ps2接口的建模图，ps2接口差不多有一座小切糕的级别，它有3个功能模块，1个控制模块，信号的数量总和有10，亦即：PS2_CLK_Pin_In，PS2_Data_Pin_In，PS2_Data，PS2_Done_Sig，FIFO_Write_Data，Write_Req_Sig，Full_Sig，FIFO_Read_Data，Read_Req_Sig，还有 Empty_Sig。

ps2接口模块的激励过程大致如下：

我们必须先产生2个主要的虚拟输入，亦即 PS2_CLK_Pin 和 PS2_Data_Pin_In 。电平检测模块接收输入就会产生输出 H2L_Sig 刺激 ps2解码模块，ps2解码在PS2_Data_Pin_In 还有 H2L_Sig 双双的刺激下就会产生PS2_Data 还有 PS2_Done_Sig 的输出进一步刺激 PS2控制模块。

PS2控制模块接收刺激之后，会经过 FIFO_Write_Data 和 Write_Req_Sig 等输出刺激 FIFO模块，FIFO模块也会使用 Full_Sig 反馈 PS2控制模块。最后 FIFO模块会经由顶层信号 Read_Req_Sig 刺激接而输出 FIFO_Read_Data 还有 Empty_Sig 等顶层信号。

读者千万别忘了，上述流程只是简单的文字描述而已，此外上述流程仅讲述一条成功的流向而已。单文字流程，笔者的头脑已经快要发疼了，假设仿真流程既不是文字描述，也不仅一条的话 ... 没错，在实际的仿真当中，流程不仅没有成功的保证，流程也不可能只有一条而已，此外信息也不是文字描述，而是错综复杂的信号。多向仿真说过，信号就是变数，信号越多变数越多，变数所衍生的流程也会越多，许多流程的信息相乘以后会产生令人窒息的信息量。

没错，这就是糕的第三形式，为了让读者深刻体验切糕的威力，笔者继续用图1.8.5来举。假设有两条信号H2L_Sig与PS2_Data_In刺激ps2解码模块，此刻会产生以下几个可能性：

可能性一：H2L_Sig 先刺激 ps2解码模块，然后PS2_Data_In 再刺ps2激解码模块；

可能性二：PS2_Data_In 先刺激 ps2 解码模块，然后 H2L_Sig 再刺激 ps2 解码模块；

可能性三：H2L_Sig 与 PS2_Data_In 同时刺激ps2解码模块；

假设1个可能性仅为1条流程，然后一条流程需要仿真1次。上述有3个可能性表示有3条流程，因此需要仿真3次。读者请仔细一想，上述3条流程仅是ps2解码模块的局部情况而已，试问ps2接口有几个模块？结果又会产生多少可能性呢？为了取得正确的结果，我们又要仿真多少次呢？没错，这就是仿真最可怕的地方，亦即无限可能性，海量仿真信息！

在此，读者的蛋蛋是不是开始在发颤呢？人不仅时间有限，而且精力也不多，庄子一直劝告我们，“别用有限的身体去追求无限的目标”。当模块过度集中以后，出入端增加仅是小事一桩，真正让人觉得害怕的是，无数信号相乘以后做照成的仿真信息。为了避免仿真变成悲剧，我们必须想尽办法分散模块，分散功能，分散信号，控制变数，减少流程 ...

最后，让我们来总结一下，这个小节究竟有几种形式的切糕？

l 仿真对象的功能越复杂，出入端越多，激励文本越臃肿。

l 仿真对象的功能越复杂，出入端越多，激励内容越混乱。

l 仿真对象的功能越复杂，信号的数量越多，变数也会越多。

切糕除了小节1.8的介绍以外，还有本节的3种形式。切糕之所以给人绝望是因为天生俱来的压倒性份量 ... 描述语言不同与高级语言，那些许多烦人又猥琐的底层工作高级语言都交由后台处理，我们只要关心代码的正确性即可。反之，描述语言的后台能力很弱，结果许多底层工作必须交由我们自己承担，但是人的精力是有限的 ...

最后笔者再次强调，仿真真正最可怕的地方就是数之不尽的流程，还有解析不玩的海量信息。世界线还有平行世界虽然听起来感觉非常浪漫，可是浪漫的背后往往都是无限残酷，这种感觉好比 Stein：Gate 的男主，为了拯救青梅竹马，却无法避免世界线的收束，结果无数次目睹她的死亡。为了避免仿真发生悲剧，我们应该仅可能减少功能数量还有变数，以最小的力气引导仿真流程走向预想的途径。

有些同学可能还在幻想自己成为勇者挑战恶龙然后征服所有世界线，但是笔者还是告诫读者千万不要过分高估自己的承受能力，就算读者有再好的吞吐量，吃了第一块大切糕，绝对没有能耐吃第二块大切糕，这点笔者可以拍胸保证，因为笔者就是过来人。如今，笔者已经放弃当初作为勇者的身份，因为笔者发觉自己的身心已经被切糕搞到破烂不堪。

1.9自动思想的简介

传统流派虽然手段强硬而且暴力，不过它们相信气势可以闯出一片天，是典型自信的主攻派，然而，笔者本质柔弱还有节能，宛如不停往下游走的水资源，是典型怕事的撤退派。面对宛如切糕一样大的模块，传统流派有可能会选择消耗战，誓死吃掉整座切糕。换之，笔者没有那种自信，也没有那种胆量，所以笔者选择分化切糕到最小数量，然后再逐个吃掉。

笔者当然晓得过度分散模块的缺点，亦即重复性的工作量，举例而言：假设一块切糕有10个功能，切糕经过分散以后成为10块小切糕，因此笔者必须重复十次仿真的工作。很不巧这是马死落地走的最佳方法，鬼叫笔者的承受能力差，无法一口吃掉切糕。此外，模块过度分散也会导致仿真失去整体性与连接性，亦即我们只能看见个体的局部仿真状况，而不是整体的仿真状况。这个问题让足笔者纠结过一阵子 ...

师兄曾说过：“仿真是允许强者淘汰弱者的残酷世界！ ”，不管笔者怎样否定传统流派，这是唯一一句受到笔者赞同的话，仿真本来是挑战一块又一块的切糕，那些承受能力差的弱者，根本没有仿真的资格。这句话听起来，虽然让人觉得不舒服，然而这就是现实。不是仿真拒绝我们，而是弱小让我们失格。

笔者是弱者，所以笔者没有能耐承受大切糕，为此必须将大切糕分化为无数小切糕。然而大切糕经过分化以后就会失去连接性与集中性，原先的完整性就会受到破坏。笔者只要一天找不到连接小切糕的关键，回复切糕的完整性，笔者不仅没有资格仿真，笔者也没有资格去挑战切糕 ...

为了寻找那份关键的东西，笔者苦思冥想了好久，想着想着 ... 意识不知不觉中又来到诸神逗留的乌托邦，然而它却在那里等待笔者。

“在这里，生命不受负责也不受管理，每个生命既是个体也是整体”,它说道。

“既是个体也是整体的生命，这不矛盾吗？”，笔者反驳道。

它摇摇头，然后指向前方继续说道。

“那里有一处花田，花草虫蚁都在生活着，生存压力让它们无瑕顾及其它，这是个体表现。从旁观望，无数个体存造就眼前的花田，这是整体表现 ... 理解了吗，孩子？ ”

图1.9.1 主动设计概念。

神的话永远都是充满寓意，为了了解它的话语，我们必须换个角度去思考问题。如图1.9.1所示，假设有甲乙丙丁四只家伙在交谈，小丁因为不擅长交流所以被排斥在外。如果站在局外者的角度观察这起交谈，小丁则会认为这起谈话必须甲乙丙三人无间断合作才能完成。反观，如果站在当局者的角度去观察这起交谈的话，事实上小甲只说想说，小乙只听想听，然而小丙边听边说，每个人只作自己想作的而已。

假设小丁不小心错过交谈内容却又想了解详情 ... 此刻，如果小丁是传统流派的门徒，它认为最佳方法莫过再现现场还有执行实时监控。换之，如果小丁换作笔者，它会认为实时监控和再现现场太耗神耗力了，此外小丁还要同时接受三人份的谈话信息。所以小丁选择逐个拜访小甲，小丙，还有小乙 ... 小丁了解片断的详情后，然后将无数片断信息都交由想象力去结合。

并行语言是一门偏硬的语言，由于本质限制的关系，它无法实现顺序语言所拥有的函数调用还有传递参数等能力，不过并行语言可以建立仿顺序结构的效仿顺序操作。但是，没有步骤的弱点，导致并行语言不适合过多内容集于一身，因为会降低解读能力，所以多模块建模就流行起来。低级建模也是多模块建模之一，不过是有准则的多模块建模。多模块建模却有一个缺点，亦即模块分化以后，模块会失去集中性与连接性。

为此，建模图的作用就非常重要了，建模图不仅可视化模块之间的关系，也能加强个体整体的存在感，过后经由想象力再现整体效果。建模阶段，个体模块只做想做，只听想听，不用顾忌其他。完后，再运用想象力联系所有个体情况，整体情况就会出现在脑海当中。这种思想笔者称为主动思想，应用这种思想的技巧也称为主动设计。

人类有两种记忆能力，左脑拥有清晰记忆也擅长处理具体的信息；右脑拥有模糊激励也擅长处理抽象的信息（想象）。主动思想的作用就是将左脑的记忆压力，还有处理压力分担给右脑，好让用脑保持平衡而不是一面倒。人类的头脑是一件不可思议的工具，右脑虽然没有左脑的强劲分析能力，但是右脑的想象能力比起左脑可优秀许多。例如记忆陌生人的面貌，如果用左脑记忆的话，左脑竟可能会多收集更多的面部数据，但是面部信息远远超越左脑的承受能力，所以用不了多久，左脑就会当机。

反之右脑只会收集少数面部特征，其余细节任由想象力填充，亦即模糊能力。假设将两张相似的明星脸交由电脑对照，不管两张脸给人的感觉再怎么相识，电脑始终会给予否定的答案。如果将明星脸交托左脑分析，左脑也会给予相同的否定，因为左脑和电脑不会给予“好像，似乎，相识”等暧昧的回应，所以说明星脸是右脑引起的浪漫现象。

根据图1.9.1的谈话情况，小丁在不知不觉之间发挥了主动思想的能力。首先它无意识记忆甲乙丙最有特征性的谈话内容，假设甲在这次谈话中说了，“海边”，乙说了“美女”，丙则说了“BBQ”。小丁经由脑补以后，小丁会认为甲乙丙在谈论“美女在海边BBQ”，又或者“美女在海边被BBQ”。主动思想除了应用在日常生活种以外，主动思想也能应用在仿真当中。

当我们将整体模块分化为无数个体模块以后，为了应用主动思想充当个体模块之间的连线，为此个体模块必须露出特征，给人留下强烈的局部印象。这种感觉好比笔者记忆美女A的脸庞，不过笔者很懒，所以笔者不会记忆所有脸部细节，为此笔者会记忆她怜人的泪痣，性感的粉唇，还有可爱的娃娃头。最后在笔者的记忆中，美女A的脸庞除了泪痣，嘴唇，还有娃娃头特别清晰以外，其它细节怎样也无所谓。

仿真也有同样的道理，如果个体模块有强烈的特征，经过仿真以后，它就会成为清晰的局部信息，然后深深烙印在我们的记忆中。无数清晰的局部信息刻入记忆以后，再由想象力将所有细节结合起来，一幅完整的整体信息就会出现在我们的脑海当中。换句话说，我们利用想象力充当个体模块之间的黏糊剂，但是作为前提，个体模块必须清晰，而且印象要非常强烈，不然的话我们作不到脑补时序。

1.10不可仿真对象的简介

这个世界上存在一些危及生命的仿真对象，例如切糕级别的模块（功能过多的模块），但是还有一些仿真对象比切糕更危险，笔者称为不可仿真对象 ... 不可仿真对象实际上不是不能仿真，而是没有仿真意义，或者阻碍仿真。根据笔者的认识，不可仿真对象有三种，亦即“超乱模块”，“超烦模块”还有“超傻模块”。

超乱模块顾名思义就是模块内容过度杂乱以致无法解读，说白点就是解读能力极差的模块。这类模块好比，官方插件模块，还有就是失去结构的模块。官方为了保护商业秘密，结果会故意搅乱模块的内容，这是一种非常恶心的行为，不过它们起码也做好善尾的工作，确保插件模块即时健全，还有附加说明书，所以它们情有可原。

仿真本来就是处在虚拟的环境下模拟模块的功能状态，如果模块内容本身也无法确切表达，仿真就会失去原来意义。此外，仿真也是用来测试不健全的模块块，然而官方插件模块不仅健全，而且还有许多资料支持。仔细一想，我们为何还要浪费无谓的精力在它们的身上呢？为了节能，除非是特殊的情况，否则笔者是不会仿真官方插件模块。

”超烦模块“是指用时过于沉长的模块，让人等到烦心。这个问题一般主要是由计数器或者定时器灌水过多引起的悲剧。仿真的最小单位不是现实中1秒或者1ms等物理时间，而是N个时钟。例如典型的流水灯实验，流水间隔至少都是100~1000ms之间，结果灌水会是非常严重。

根据笔者的惨痛经历，20Mhz为例的仿真时钟，仿真时间一般不推荐操作超过1秒，1ms~10ms之间最为理想，过长的仿真时间会拉长wave界面。曾经何时笔者也是傻子一名，为了验证正确的计时结果，笔者常常在仿真界面上拖来拖去，实在累人 ... 天生节能的笔者绝对不能容许这种滑稽的事情发生在自己身上，于是笔者左思右想最终想到整合技巧。整合技巧有各种作用，其中一项功能就是精密控时，任何长时间计时都能在代码上搞定，而不是经由仿真。

最后还有一个不可仿真对象就是“超傻模块”，故名思议超傻模块是指功能过度简单明了，这种功能简单到一眼就能辨出是园是扁，难道我们还会大费周章，敲锣打鼓去仿真它吗？当然不会啦。超傻模块典型例子有：多路选择器，加码，解码等小组合逻辑还有小功能模块。

最后让笔者来个简单的总结吧：

超乱模块：模块内容极乱，解读不能，例子：官方插件模块，无结构的模块。

超烦模块：模块内容水分，极度费神，例子：定时器，计数器。

超傻模块：模块内容单纯，浪费气力，例子：多路选择器，输出器等小组合逻辑。

总结：

第一章虽然尽是毫无里头的扫盲文，不过扫盲文的作用究竟有多大读者应该心中有数。

“仿真有建模三倍的负担”这句话一点也夸张 ... 建模亦即实际建模，除了建模还是建模；然而，仿真除了建模以外，还有创建激励还有解读时序信息等猥琐的工作要我们去干。说实话，同时兼学建模和仿真很容易两头不到岸，这也是学习最忌遇见的窘境。笔者希望读者可以透过扫盲文做好最起码的思想准备。

仿真是什么？虽然在字面上“调试”还有“仿真”相较有同义的嫌疑，不过“调试”不等价“仿真”，“调试”为求单向结果，换之“仿真”为求多向过程。简单说，调试是顺序语言的测试手段，然而仿真是并行语言的测试手段，后者相较前者不仅不单纯，而且让人匪夷所思甚至难以捉摸。

调试与仿真之间也是顺序语言与并行语言之间的思路问题，错用思路宛如遇上一堵杀人不偿命的隐形巨墙。笔者已经无数目睹同学翻墙不成反被摔死，实在可怜 ... 为什么他们要模仿飞蛾寻求绝命之火呢？事实上这些悲剧，传统流派实在功不可没，它们手段强硬而且暴力，强迫学习从来不说明，无辜之人才会接续遭殃。

“仿真结果一定是物理时序!“

“仿真需要验证语言!“

“仿真和建模是两回事！“

“我们才是正道!“

正是这些花言巧语骗尽傻子卖猪仔，曾经何时笔者也是一只傻傻上当的猪仔 ... 解脱不遂之后，笔者才渐渐领悟，传统流派只会传授蜻蜓点水的表面功夫，许多重要细节都会潇洒带过。仿真不当容易受伤，不过仿真真正让人恐惧的是——切糕。切糕是隐藏在仿真背后的绝望，切糕会改变形态躲在黑暗处，然后无时无刻等待时机扑食希望。切糕一般是指压倒性的工作量还有信息量，主要是仿真手段不当所产生的副产物。传统流派不知真傻还是装傻，那么大的切糕它们既然可以视而不见？

笔者被切糕施虐的惨痛的经历最终浓缩成为这本书。这个世界（仿真）太大了，传统手段只会沦落切糕的猎物，为求生存异常手段是必须的。这本书是这个世界（仿真）的地图，也是这个世界（仿真）的生存手册 ... 此外，这本书也能给予出发前的心里准备。读者好好切记，这个世界（仿真）是由并行法则支配的空间，以往的顺序手段已经一去不返，心存半点也会引来悲剧。

“仿真是会死人的学习 ... ”，笔者道。