Abstract
在剛學習Nios II時，每次在Run As Nios II Hardware下方，看到Run As Nios II ModelSim就覺得很好奇，Nios II明明是嵌入式系統，怎麼能用ModelSim仿真呢?

Introduction
使用環境：Quartus II 7.2 SP3 + Nios II EDS 7.2 SP3 + ModelSim-Altera 6.1g + DE2(Cyclone II EP2C35F627C6)

用ModelSim對數字系統作仿真，這個大家都很熟悉，在(原創) 如何解決在Quartus II無法使用ModelSim-Altera模擬的問題? (SOC) (Quartus II) (ModelSim)與(原創) 如何做functional simulation? (SOC) (Quartus II) (ModelSim)都曾經討論過。Nios II雖然是個嵌入式系統，但畢竟基於FPGA技術，所以使用ModelSim仿真的方式。這也是Altera四大天王(Quartus II、Nios II EDS、ModelSim-Altera、DSP Builder)中的三大天王首次同台演出。

Altera在Simulating Nios II Embedded Processor Designs文件中，有談到如何用ModelSim-Altera對Nios II作仿真，不過一如以往，Altera的文件要在DE2能動，還是得做不少修改，昨晚弄了一晚也弄不出來，在大家常去的Altera Forum 、Nios Forum與EDACN的討論中發現，真正做出來的人並不多。今天早上運氣好竟然成功了，趕快將心得記下來。

Quartus II與SOPC Builder部分
Step 1：
建立一個最簡單的Nios II系統

文件中的那個系統並不適合DE2，用了一定不能動，所以就自己建立一個最簡單的Nios II系統。為了要簡單，就先使用onchip memory與ledg與button就好，其他IP都先別用，以減少失敗的變因。

Step 2：
JTAG UART設定

使用ModelSim-Altera仿真後，對於C的printf()要怎麼顯示呢?這要對JTAG UART做設定。

Step 3：
對PIO做初始值設定

Button本來是在runtime由user去決定，若你想在testbench就模擬user的按鍵，可在此設定，此步驟並非必須，只是demo可藉由此方式設定PIO的初始值。

Step 4：
在SOPC Builder設定ModelSim-Altera路徑

Tools -> Options -> Category：HDL Simulator

Step 5：
產生能仿真的Nios II系統

記得要將『Simulation. Create project simulator files』打勾。

Step 6：
DE2_NIOS_ModelSim2.v / Verilog

1 /*2 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com3 4 Filename    : DE2_NIOS_ModelSim2.v5 Compiler    : Quartus II 7.2 SP36 Description : Demo how to simulate Nios II by ModelSim-Altera7 Release     : 08/02/2008 1.08 */9 10 module DE2_NIOS_ModelSim2 (11  input CLOCK_50,12  input [3:0] KEY,13  output [8:0] LEDG14 );15 16 wireCPU_CLK;17 wireCPU_RESET;18 19 Reset_Delay    delay1 (20 .iRST(KEY[0]),21 .iCLK(CLOCK_50),22 .oRESET(CPU_RESET)23 );24 25 SDRAM_PLL PLL1 (26 .inclk0(CLOCK_50),27 .c1(CPU_CLK)28 );29 30 nios_ii u0 (31 .clk(CPU_CLK),32 .reset_n(CPU_RESET),33 .in_port_to_the_button_pio(KEY),34 .out_port_from_the_ledg_pio(LEDG)35 );36 37 endmodule

25行

SDRAM_PLL PLL1 (
  .inclk0(CLOCK_50),
  .c1(CPU_CLK)
);

別被SDRAM_PLL嚇到了，只是借用這個PLL產生100 Mhz的clock給Nios II用，你也可以自己重新產生一個100 Mhz的clock而不用SDRAM_PLL。

Quartus II與SOPC Builder部分已經完成，編譯後可燒進DE2。

Nios II EDS部分
Step 1：
建立Hello World project

hello_world.c / C

1 #include <stdio.h>2 #include "system.h"3 #include "altera_avalon_pio_regs.h"4 5 int main() {6  int i;7 printf("Hello from Nios II!\n");8  9  for(i =0; i <256; i++)10 IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LEDG_PIO_BASE, i);11 12  return0;13 }

LEDG_PIO_BASE這個巨集跟文件的不一樣，因為在SOPC Builder中，我們已經使用了不同的名稱。

Step 2：
修改System Library設定

由於我們使用的onchip memory只有40K，正常的Nios II是無法執行的，所以必須做些設定，讓code size變小。在Altera原廠文件並沒有這一步，因為它用的是SDRAM夠大，根本不用考慮code size的問題。

選擇不支援C++會讓code size小一點，另外要勾選ModelSim only, no hardware。

設定讓gcc編譯出的code size小一點，若你對code size最佳化有興趣，建議參考(原創) 如何有效減少Nios II EDS所編譯程式碼大小? (IC Design) (Nios II)。

Step 3：
編譯Hello World且Run As Nios II ModelSim。

Nios II EDS部分已經完成，接著會出現ModelSim-Altera。

ModelSim-Altera部分
Step 1：
編譯Verilog

Quartus II已經產生好ModelSim的macro，你只要打s就可重新編譯，這是最危險的時刻，若會失敗都是出在這個時候，我之前曾經使用友晶的Nios II Reference Design來做仿真，但有些module無法編譯成功，目前原因還不明。若成功編譯，會有以下的結果：

# Reading C:/altera/72/modelsim_ae/tcl/vsim/pref.tcl
# Reading D:/0Clare/DE2/DE2_NIOS_ModelSim2/nios_ii_sim/modelsim.tcl
# c:/altera/72/quartus//sopc_builder# c:/altera/72/quartus//bin/perl# Sopc_Builder Directory: c:/altera/72/quartus//sopc_builder # @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@
# @@
# @@ setup_sim.do
# @@
# @@ Defined aliases:
# @@
# @@ s -- Load all design (HDL) files.
# @@ re-vlog/re-vcom and re-vsim the design.
# @@
# @@ c -- Re-compile memory contents.
# @@ Builds C-and assembly-language programs
# @@ (and associated simulation data-files
# @@ such as UART simulation strings) for# @@ refreshing memory contents.
# @@ Does NOT re-generate hardware (HDL) files
# @@ ONLY WORKS WITH LEGACY SDK (Not the Nios IDE)
# @@
# @@ w -- Sets-up waveforms for this design# @@ Each SOPC-Builder component may have
# @@ signals 'marked'for display during
# @@ simulation. This command opens a wave-# @@ window containing all such signals.
# @@
# @@ l -- Sets-up list waveforms for this design# @@ Each SOPC-Builder component may have
# @@ signals 'marked'for listing during
# @@ simulation. This command opens a list-# @@ window containing all such signals.
# @@
# @@ jtag_uart_drive -- display interactive input window for jtag_uart
# @@
# @@ h -- print this message
# @@
# @@
#  OpenFile "nios_ii_sim.mpf"# Loading project nios_ii_sim
s
# Model Technology ModelSim ALTERA vlog 6.1g Compiler 2006.08 Aug 122006# -- Compiling module button_pio_s1_arbitrator
# -- Compiling module cpu_jtag_debug_module_arbitrator
# -- Compiling module cpu_data_master_arbitrator
# -- Compiling module cpu_instruction_master_arbitrator
# -- Compiling module jtag_uart_avalon_jtag_slave_arbitrator
# -- Compiling module ledg_pio_s1_arbitrator
# -- Compiling module onchip_mem_s1_arbitrator
# -- Compiling module sysid_control_slave_arbitrator
# -- Compiling module nios_ii_reset_clk_domain_synch_module
# -- Compiling module nios_ii
# -- Compiling module lcell
# -- Compiling module ALTERA_MF_MEMORY_INITIALIZATION
# -- Compiling module ALTERA_MF_HINT_EVALUATION
# -- Compiling module ALTERA_DEVICE_FAMILIES
# -- Compiling module dffp
# -- Compiling module pll_iobuf
# -- Compiling module stx_m_cntr
# -- Compiling module stx_n_cntr
# -- Compiling module stx_scale_cntr
# -- Compiling module MF_pll_reg
# -- Compiling module MF_stratix_pll
# -- Compiling module arm_m_cntr
# -- Compiling module arm_n_cntr
# -- Compiling module arm_scale_cntr
# -- Compiling module MF_stratixii_pll
# -- Compiling module ttn_m_cntr
# -- Compiling module ttn_n_cntr
# -- Compiling module ttn_scale_cntr
# -- Compiling module MF_stratixiii_pll
# -- Compiling module cda_m_cntr
# -- Compiling module cda_n_cntr
# -- Compiling module cda_scale_cntr
# -- Compiling module MF_cycloneiii_pll
# -- Compiling module altpll
# -- Compiling module altlvds_rx
# -- Compiling module stratix_lvds_rx
# -- Compiling module stratixgx_dpa_lvds_rx
# -- Compiling module stratixii_lvds_rx
# -- Compiling module flexible_lvds_rx
# -- Compiling module stratixiii_lvds_rx
# -- Compiling module stratixiii_lvds_rx_channel
# -- Compiling module stratixiii_lvds_rx_dpa
# -- Compiling module altlvds_tx
# -- Compiling module stratix_tx_outclk
# -- Compiling module stratixii_tx_outclk
# -- Compiling module flexible_lvds_tx
# -- Compiling module altaccumulate
# -- Compiling module altmult_accum
# -- Compiling module altmult_add
# -- Compiling module altfp_mult
# -- Compiling module altsqrt
# -- Compiling module altclklock
# -- Compiling module altddio_in
# -- Compiling module altddio_out
# -- Compiling module altddio_bidir
# -- Compiling module hssi_pll
# -- Compiling module MF_ram7x20_syn
# -- Compiling module hssi_fifo
# -- Compiling module hssi_rx
# -- Compiling module hssi_tx
# -- Compiling module altcdr_rx
# -- Compiling module altcdr_tx
# -- Compiling module altcam
# -- Compiling module altdpram
# -- Compiling module altsyncram
# -- Compiling module alt3pram
# -- Compiling module altqpram
# -- Compiling module parallel_add
# -- Compiling module scfifo
# -- Compiling module dcfifo_dffpipe
# -- Compiling module dcfifo_fefifo
# -- Compiling module dcfifo_async
# -- Compiling module dcfifo_sync
# -- Compiling module dcfifo_low_latency
# -- Compiling module dcfifo_mixed_widths
# -- Compiling module dcfifo
# -- Compiling module altshift_taps
# -- Compiling module a_graycounter
# -- Compiling module altsquare
# -- Compiling module signal_gen
# -- Compiling module jtag_tap_controller
# -- Compiling module dummy_hub
# -- Compiling module sld_virtual_jtag
# -- Compiling module sld_signaltap
# -- Compiling module altstratixii_oct
# -- Compiling module altparallel_flash_loader
# -- Compiling module altserial_flash_loader
# -- Compiling module LPM_MEMORY_INITIALIZATION
# -- Compiling module LPM_HINT_EVALUATION
# -- Compiling module LPM_DEVICE_FAMILIES
# -- Compiling module lpm_constant
# -- Compiling module lpm_inv
# -- Compiling module lpm_and
# -- Compiling module lpm_or
# -- Compiling module lpm_xor
# -- Compiling module lpm_bustri
# -- Compiling module lpm_mux
# -- Compiling module lpm_decode
# -- Compiling module lpm_clshift
# -- Compiling module lpm_add_sub
# -- Compiling module lpm_compare
# -- Compiling module lpm_mult
# -- Compiling module lpm_divide
# -- Compiling module lpm_abs
# -- Compiling module lpm_counter
# -- Compiling module lpm_latch
# -- Compiling module lpm_ff
# -- Compiling module lpm_shiftreg
# -- Compiling module lpm_ram_dq
# -- Compiling module lpm_ram_dp
# -- Compiling module lpm_ram_io
# -- Compiling module lpm_rom
# -- Compiling module lpm_fifo
# -- Compiling module lpm_fifo_dc_dffpipe
# -- Compiling module lpm_fifo_dc_fefifo
# -- Compiling module lpm_fifo_dc_async
# -- Compiling module lpm_fifo_dc
# -- Compiling module lpm_inpad
# -- Compiling module lpm_outpad
# -- Compiling module lpm_bipad
# -- Compiling module oper_add
# -- Compiling module oper_addsub
# -- Compiling module mux21
# -- Compiling module io_buf_tri
# -- Compiling module io_buf_opdrn
# -- Compiling module oper_mult
# -- Compiling module tri_bus
# -- Compiling module oper_div
# -- Compiling module oper_mod
# -- Compiling module oper_left_shift
# -- Compiling module oper_right_shift
# -- Compiling module oper_rotate_left
# -- Compiling module oper_rotate_right
# -- Compiling module oper_less_than
# -- Compiling module oper_mux
# -- Compiling module oper_selector
# -- Compiling module oper_decoder
# -- Compiling module oper_bus_mux
# -- Compiling module oper_latch
# -- Compiling module onchip_mem
# -- Compiling module cpu_test_bench
# -- Compiling module cpu_mult_cell
# -- Compiling module cpu_jtag_debug_module
# -- Compiling module cpu_jtag_debug_module_wrapper
# -- Compiling module cpu
# -- Compiling module sysid
# -- Compiling module jtag_uart_log_module
# -- Compiling module jtag_uart_sim_scfifo_w
# -- Compiling module jtag_uart_scfifo_w
# -- Compiling module jtag_uart_drom_module
# -- Compiling module jtag_uart_sim_scfifo_r
# -- Compiling module jtag_uart_scfifo_r
# -- Compiling module jtag_uart
# -- Compiling module ledg_pio
# -- Compiling module button_pio
# -- Compiling module test_bench
#
# Top level modules:
#     lcell
#     altpll
#     altlvds_rx
#     altlvds_tx
#     altaccumulate
#     altmult_accum
#     altfp_mult
#     altsqrt
#     altddio_bidir
#     altcdr_rx
#     altcdr_tx
#     altcam
#     altdpram
#     alt3pram
#     altqpram
#     parallel_add
#     scfifo
#     dcfifo
#     altshift_taps
#     a_graycounter
#     altsquare
#     sld_virtual_jtag
#     sld_signaltap
#     altstratixii_oct
#     altparallel_flash_loader
#     altserial_flash_loader
#     lpm_constant
#     lpm_inv
#     lpm_and
#     lpm_or
#     lpm_xor
#     lpm_bustri
#     lpm_compare
#     lpm_abs
#     lpm_counter
#     lpm_latch
#     lpm_ff
#     lpm_shiftreg
#     lpm_ram_dq
#     lpm_ram_dp
#     lpm_ram_io
#     lpm_rom
#     lpm_fifo
#     lpm_fifo_dc
#     lpm_inpad
#     lpm_outpad
#     lpm_bipad
#     oper_addsub
#     mux21
#     io_buf_tri
#     io_buf_opdrn
#     oper_mult
#     tri_bus
#     oper_div
#     oper_mod
#     oper_left_shift
#     oper_right_shift
#     oper_rotate_left
#     oper_rotate_right
#     oper_mux
#     oper_selector
#     oper_decoder
#     oper_bus_mux
#     oper_latch
#     test_bench
# vsim +nowarnTFMPC -L lpm_ver -L sgate_ver -L altera_mf_ver -L altgxb_ver -L stratixiigx_hssi_ver -L stratixgx_ver -L stratixgx_gxb_ver -L stratixiigx -L altera_ver -L stratixiii_ver -L stratixii_ver -L cycloneii_ver -L cycloneiii_ver -t ps test_bench
# //ModelSim ALTERA 6.1g Aug 12 2006 # //# //Copyright 2006 Mentor Graphics Corporation# //All Rights Reserved.# //# //THIS WORK CONTAINS TRADE SECRET AND # //PROPRIETARY INFORMATION WHICH IS THE PROPERTY# //OF MENTOR GRAPHICS CORPORATION OR ITS LICENSORS# //AND IS SUBJECT TO LICENSE TERMS.# //# Loading work.test_bench
# Loading work.nios_ii
# Loading work.button_pio_s1_arbitrator
# Loading work.button_pio
# Loading work.cpu_jtag_debug_module_arbitrator
# Loading work.cpu_data_master_arbitrator
# Loading work.cpu_instruction_master_arbitrator
# Loading work.cpu
# Loading C:\altera\72\modelsim_ae\win32aloem/../altera/verilog/altera_mf.altsyncram
# Loading C:\altera\72\modelsim_ae\win32aloem/../altera/verilog/altera_mf.ALTERA_DEVICE_FAMILIES
# Loading C:\altera\72\modelsim_ae\win32aloem/../altera/verilog/altera_mf.ALTERA_MF_MEMORY_INITIALIZATION
# Loading work.cpu_jtag_debug_module_wrapper
# Loading work.cpu_jtag_debug_module
# Loading work.cpu_mult_cell
# Loading C:\altera\72\modelsim_ae\win32aloem/../altera/verilog/altera_mf.altmult_add
# Loading work.cpu_test_bench
# Loading C:\altera\72\modelsim_ae\win32aloem/../altera/verilog/sgate.oper_add
# Loading C:\altera\72\modelsim_ae\win32aloem/../altera/verilog/220model.lpm_add_sub
# Loading C:\altera\72\modelsim_ae\win32aloem/../altera/verilog/sgate.oper_less_than
# Loading work.jtag_uart_avalon_jtag_slave_arbitrator
# Loading work.jtag_uart
# Loading work.jtag_uart_scfifo_w
# Loading work.jtag_uart_sim_scfifo_w
# Loading work.jtag_uart_log_module
# Loading work.jtag_uart_scfifo_r
# Loading work.jtag_uart_sim_scfifo_r
# Loading work.jtag_uart_drom_module
# Loading work.ledg_pio_s1_arbitrator
# Loading work.ledg_pio
# Loading work.onchip_mem_s1_arbitrator
# Loading work.onchip_mem
# Loading work.sysid_control_slave_arbitrator
# Loading work.sysid
# Loading work.nios_ii_reset_clk_domain_synch_module

VSIM 3>

Step 2：
顯示JTAG UART視窗

輸入jtag_uart_drive，printf()的結果將顯示在這裡

Step 3：
顯示waveform window

輸入巨集 w 載入wave_presets.do，將載入預設要仿真的信號，也可以自行在加入其他信號。圖中的out_port_from_the_ledg_pio就是自行加入的。

Step 4：
開始仿真

輸入 run 800 us，表示開始仿真800 us，結果如下圖所示。

之前在hello_world.c中，我們曾經

for(i =0; i <256; i++)
  IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LEDG_PIO_BASE, i);

若真的在DE2跑起來，只會發現LEDG是全亮的，因為0到255的變化人眼無法辨識，但在ModelSim-Altera就可以看到out_port_from_the_ledg_pio從0、1、2....不斷的變化。

完整程式碼下載
DE2_NIOS_ModelSim2.7z

Conclusion
又是一次很神奇的經驗，竟然讓ModelSim和Nios II結合在一起，這對debug幫助很大，不過ModelSim-Altera與Nios II的整合似乎有待加強，也或許是我功力不足，更複雜的Nios II系統，我也沒把握能在ModelSim-Altera仿真成功，畢竟連Nios II Reference Design都過不了，實在令人擔心，或許要對Verilog RTL做些修正才能成功仿真。

See Also
(原創) 如何解決在Quartus II無法使用ModelSim-Altera模擬的問題? (SOC) (Quartus II) (ModelSim)
(原創) 如何做functional simulation? (SOC) (Quartus II) (ModelSim)
(原創) 如何有效減少Nios II EDS所編譯程式碼大小? (IC Design) (Nios II)
(原創) DE2_NIOS_Lite 1.0 (SOC) (Nios II) (SOPC Builder) (DE2)

Reference
Nios II仿真簡介
Simulating Nios II Embedded Processor Designs