基于Modelsim FLI接口的協(xié)同仿真技術(shù)介紹

1 前言
    協(xié)同仿真就是利用仿真工具提供的外部接口，用其它程序設(shè)計語言(非HDL語言，如c語言等)編程，用輔助仿真工具進行仿真。Modelsim提供了與c語言的協(xié)同仿真接口。以Windows平臺為例，用戶可通過modelsim提供的c語言接口函數(shù)編程，生成動態(tài)鏈接庫，由modelsim調(diào)用這些動態(tài)鏈接庫進行輔助仿真，如圖1所示。
 
圖1 協(xié)同仿真示意圖

2 Modelsim及FLI接口介紹
    Modelsim是Model Technology(Mentor Graphics的子公司)的HDL硬件描述語言仿真軟件，可以實現(xiàn)VHDL、Verilog以及VHDL-Verilog混合設(shè)計的仿真。除此之外，Modelsim還能夠與c語言一起對HDL設(shè)計文件實現(xiàn)協(xié)同仿真。同時，相對于大多數(shù)的HDL仿真軟件來說，Modelsim在仿真速度上也有明顯優(yōu)勢。這些特點使Modelsim越來越受到EDA設(shè)計者、尤其是FPGA設(shè)計者的青睞。
    Modelsim的FLI(Foreign Language Interface)接口，提供了c語言動態(tài)鏈接程序與仿真器的接口，可以通過c語言編程對設(shè)計文件進行輔助仿真。

3 協(xié)同仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及意義
    Modelsim與c語言協(xié)同仿真，一是用于產(chǎn)生測試向量，避免手工編寫測試向量的繁瑣；二是可以根據(jù)程序計算結(jié)果自動檢查仿真結(jié)果正確與否；三是模擬其它模塊(如RAM)的功能，在系統(tǒng)級對設(shè)計文件仿真。實踐中一般是把一和二結(jié)合在一起，用程序產(chǎn)生仿真向量，一方面輸出給設(shè)計文件作為輸入，另一方面由程序本身對該向量計算，把得到的結(jié)果與仿真器的輸出結(jié)果比較，檢查邏輯是否正確，如圖2所示。至于模擬功能，現(xiàn)在已經(jīng)有一些通用芯片的模擬程序，如denali可以模擬RAM的功能。另外，用戶也可以利用modelsim提供的編程接口自己模擬一些芯片的行為，然后與設(shè)計文件連接到一起仿真。
 
圖2 語言測試程序?qū)HDL設(shè)計文件的協(xié)同仿真結(jié)構(gòu)圖

4 C語言對VHDL設(shè)計文件的協(xié)同仿真
4.1 構(gòu)成框圖
    仿真文件的構(gòu)成如圖3所示，包括HDL文件和動態(tài)鏈接庫(即c程序)。圖中c程序?qū)?yīng)的VHDL文件要負責(zé)聲明對應(yīng)的動態(tài)鏈接庫文件名及初始化函數(shù)，另外還可以給出一些調(diào)用參數(shù)。動態(tài)鏈接中用到的輸入輸出信號也要在對應(yīng)的VHDL文件中聲明。

圖3 仿真文件構(gòu)成示意圖
    例如，假定有一個DLL文件名為sim.dll，對應(yīng)的初始化函數(shù)為sim_init，有輸入信號in1、in2，輸出信號out1、out2，可以這樣編寫對應(yīng)的VHDL文件
(sim.vhd):
library ieee；
use ieee.std_logic_1164.all；
entity sim is
port(
in1 :in std_logic；
in2 :in std logic；
out1 :out std_logic；
out2 :out std_logic；
)；
end entity sire；
architecture dll of sim is
attribute foreign :string；
attribute foreign of dll :architecture is "sim_init
sim.dll”
begin
end；
    仿真時，仿真器對頂層的HDL文件進行仿真，并根據(jù)各VHDL文件的動態(tài)鏈接庫聲明來調(diào)用、執(zhí)行相應(yīng)的動態(tài)鏈接庫。
4.2 動態(tài)鏈接庫的程序結(jié)構(gòu)
    利用modelsim仿真時，可根據(jù)VHDL文件的聲明，調(diào)用DLL文件(如sim.dll)。在VHDL文件中已經(jīng)給出了調(diào)用文件(sim.dll)和初始化函數(shù)名(如sim_init)，modelsim根據(jù)這些信息，調(diào)用sim.dll中的sim_init函數(shù)，完成初始化工作。初始化包括:
①初始化全局變量；
②設(shè)置VHDL輸入輸出信號與c程序變量的對應(yīng)關(guān)系；
③設(shè)置輸出信號的一些初始狀態(tài)(mti_ScheduleDriver)；
④設(shè)置在仿真器重新仿真(restart)和仿真器退出仿真(quit)等情況下執(zhí)行的一些函數(shù)(mti_AddRestartCB和mti_AddQuitCB等)，如釋放動態(tài)申請內(nèi)存等；
⑤設(shè)置敏感表，給出在某些信號發(fā)生變化(如時鐘上升沿等)時執(zhí)行的函數(shù)。
⑥其它。
C程序的設(shè)計步驟如下:
(1)包含頭文件，包括c程序常用的一些頭文件和modelsim給出的外部語言接口頭文件mti.h。Modelsim給出的外部接口函數(shù)說明、類型定義等都在mti.h中。
(2)定義自己的結(jié)構(gòu)體，這一點主要是為了編程方便，例如輸入輸出信號對應(yīng)的變量在各函數(shù)中基本上都會用到，可以把這些變量定義成一個結(jié)構(gòu)，便于參數(shù)傳遞。
(3)編寫初始化函數(shù)
初始化函數(shù)的定義為:
init_func(mtiReginoIdT region,char *param,
mtiInterfaceListT *generics,mtiInterfaceListT *ports)
    各參數(shù)的意義可以參閱modelsim用戶手冊。
    下面結(jié)合上面給出的初始化函數(shù)要完成的任務(wù)進行詳細說明。
a.初始化全局變量(略)
b.設(shè)置VHDL輸入輸出信號與c程序變量的對應(yīng)關(guān)系。這是通過調(diào)用mti_FindPort函數(shù)實現(xiàn)的。mti_FindPort函數(shù)定義為:
mfiSignalIdT mti_FindPort(mtiInterfaceListT *list,char *name)；
例如，定義輸入輸出信號對應(yīng)的結(jié)構(gòu)ip:
PortStruct ip；
就可以用:
ip_in1=mti_FindPort(ports,"in1")；
    來實現(xiàn)輸入信號in1與變量in1的對應(yīng)關(guān)系。
    對輸出信號來說，它的目的是產(chǎn)生驅(qū)動。因此，這些變量(out1和out2)除了要找到對應(yīng)的輸出信號外，還要驅(qū)動這些信號。對信號的驅(qū)動可以通過調(diào)用mti_CreateDriver函數(shù)來實現(xiàn)。該函數(shù)的定義為:
mtiDriverIdT mti_CreateDriver(mtiSignalIdT sig)；

由于這些變量一般只用于對外驅(qū)動，因此可以簡單寫成下面的形式:
ip.out1 = mti+ CreateDriver(mti_FindPort(ports,"out1"))；
C.調(diào)用mti_ScheduleDriver函數(shù)，設(shè)置輸出信號的初始狀態(tài)。mti_ScheduleDriver函數(shù)的定義為:
void mti_ScheduIeDriver(mtiDriverIdT driver,long value,mtiDelayT delay,mtiDriverModeT mode)；
    其中，driver是輸出信號對應(yīng)的變量名，如ip.out1和ip.out2；value是要設(shè)置(驅(qū)動)的值，如高電平('1'，對應(yīng)value為3)、低電平('0'，對應(yīng)value為2)、高阻('z'，對應(yīng)value為4)、未賦值('U'，對應(yīng)value為0)等等；delay是從當(dāng)前時間開始到把信號驅(qū)動成給定值(value)的等待時間，單位與仿真器當(dāng)前使用的最小時間單位相同；mode為信號模式，有兩個值可供選擇:MTI_INERTIAL或者是MTI_TRANSPORT，分別對應(yīng)于標(biāo)準VHDL語言的INERTIAL和TRANSPORT。例如，設(shè)置信號out1的初始狀態(tài)為低電平:
mti_ScheduleDriver(ip.out1,2,0,MTI_INERTIAL)；
d.設(shè)置在仿真器重新仿真(運行命令restart)或退出仿真(運行命令quit-sim)等情況下調(diào)用的函數(shù)。這一部分主要是為了釋放內(nèi)存或者保存當(dāng)前狀態(tài)等。以restart為例，假設(shè)在程序中用malloc申請了存儲空間buf，在仿真器"restart"時需要釋放，就可以用以下的函數(shù)調(diào)用來注冊:
mti_AddRestartCB(free,buf)；
    注冊后，當(dāng)仿真器運行命令restart時就會調(diào)用free(buf)。
    其它一些函數(shù)可以參照modelsim的用戶手冊這里不再詳述。
e.設(shè)置敏感表，給出在某些信號發(fā)生某些變化時(如時鐘上升沿等)執(zhí)行的函數(shù)。例如，在輸入信號in1發(fā)生變化時，要執(zhí)行函數(shù)in1_change(in1_change為用戶定義好的函數(shù))，可以這樣定義:
processed proc；
proc=mti_CreateProcess("P_in 1 change",in1_change，&ip)；
mti_Sensitize(proc,ip.in1,MTI_EVENT)；
    也就是說，先創(chuàng)建進程，然后設(shè)置敏感表。當(dāng)滿足敏感表的條件時，仿真器就會執(zhí)行該進程。mti_CreateProcess函數(shù)的定義為:
mtiProcessldT mti_CreateProcess(char *name,mtiVoidFuncPtrT func,void * Param)；其中，name是將要在仿真器窗口中顯示的名稱；func是要執(zhí)行的函數(shù)；后面的param是要傳給func的參數(shù)。mti_Sensitize的定義為:
void mti_Sensitize(mtiProcessIdT proc,mtiSignalIdT sig,mtiProcessTriggerT when)；
    其中，proc為調(diào)用mti_CreateProcess的返回值；sig為信號名，即VHDL文件的輸入輸出信號對應(yīng)于C程序的變量；when可以取MTI_EVENT或者MTI_ACTIVE兩種值。
4.3 C程序的編譯
    對Windows平臺，采用的編譯器是MicrosoftVisual C++，并用如下的命令進行編譯:
cl -c -I <install_dir> app.c
link -dll -export:<C_init_function> app.obj
<install_dir> modeltech.lib
上面的<install_dir>是modelsim的安裝目錄，<C_init_function>是c程序的初始化函數(shù)名，如我們給出的sim.c的sim_init。編譯之后就可以生成.dll文件。
    仿真向量是用c語言還是用HDL直接產(chǎn)生，要視設(shè)計者的應(yīng)用而定，選取最簡單的方式。在大多數(shù)情況下，用c語言和HDL聯(lián)合生成測試向量會更方便些。

5 結(jié)論
    利用Moelsim的FLI功能，用c語言對所設(shè)計的模型進行功能驗證，可以加大驗證代碼的覆蓋率，減少驗證代碼的復(fù)雜度，加快驗證的速度，縮短設(shè)計周期，可以更好的驗證系統(tǒng)的通用性。另外，Modelsim的FLI功能使硬件描述語言(Verilog，VHDL)與c語言緊密結(jié)合在一起，為設(shè)計人員提供了更廣闊的驗證平臺，更方便的驗證方法。