Modelsim FLI接口的協(xié)同仿真技術(shù)

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(jì)語(yǔ)言(非HDL語(yǔ)言，如c語(yǔ)言等)編程，用輔助仿真工具進(jìn)行仿真。Modelsim提供了與c語(yǔ)言的協(xié)同仿真接口。以Windows平臺(tái)為例，用戶(hù)可通過(guò)modelsim提供的c語(yǔ)言接口函數(shù)編程，生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，由modelsim調(diào)用這些動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)進(jìn)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(yǔ)言仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)VHDL、Verilog以及VHDL-Verilog混合設(shè)計(jì)的仿真。除此之外，Modelsim還能夠與c語(yǔ)言一起對(duì)HDL設(shè)計(jì)文件實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真。同時(shí)，相對(duì)于大多數(shù)的HDL仿真軟件來(lái)說(shuō)，Modelsim在仿真速度上也有明顯優(yōu)勢(shì)。這些特點(diǎn)使Modelsim越來(lái)越受到EDA設(shè)計(jì)者、尤其是FPGA設(shè)計(jì)者的青睞。
Modelsim的FLI(Foreign Language Interface)接口，提供了c語(yǔ)言動(dòng)態(tài)鏈接程序與仿真器的接口，可以通過(guò)c語(yǔ)言編程對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)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(yǔ)言協(xié)同仿真，一是用于產(chǎn)生測(cè)試向量，避免手工編寫(xiě)測(cè)試向量的繁瑣；二是可以根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果自動(dòng)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(jí)對(duì)設(shè)計(jì)文件仿真。實(shí)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(jì)文件作為輸入，另一方面由程序本身對(duì)該向量計(jì)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(hù)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(jì)文件連接到一起仿真。

圖2 語(yǔ)言測(cè)試程序?qū)HDL設(shè)計(jì)文件的協(xié)同仿真結(jié)構(gòu)圖

4 C語(yǔ)言對(duì)VHDL設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(即c程序)。圖中c程序?qū)?yīng)的VHDL文件要負(fù)責(zé)聲明對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(dòng)態(tài)鏈接中用到的輸入輸出信號(hào)也要在對(duì)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(gè)DLL文件名為sim.dll，對(duì)應(yīng)的初始化函數(shù)為sim_init，有輸入信號(hào)in1、in2，輸出信號(hào)out1、out2，可以這樣編寫(xiě)對(duì)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(shí)，仿真器對(duì)頂層的HDL文件進(jìn)行仿真，并根據(jù)各VHDL文件的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)聲明來(lái)調(diào)用、執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。
4.2 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的程序結(jié)構(gòu)
利用modelsim仿真時(shí)，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(hào)與c程序變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
③設(shè)置輸出信號(hào)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(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存等；
⑤設(shè)置敏感表，給出在某些信號(hào)發(fā)生變化(如時(shí)鐘上升沿等)時(shí)執(zhí)行的函數(shù)。
⑥其它。
C程序的設(shè)計(jì)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(yǔ)言接口頭文件mti.h。Modelsim給出的外部接口函數(shù)說(shuō)明、類(lèi)型定義等都在mti.h中。
(2)定義自己的結(jié)構(gòu)體，這一點(diǎn)主要是為了編程方便，例如輸入輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的變量在各函數(shù)中基本上都會(huì)用到，可以把這些變量定義成一個(gè)結(jié)構(gòu)，便于參數(shù)傳遞。
(3)編寫(xiě)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(hù)手冊(cè)。
下面結(jié)合上面給出的初始化函數(shù)要完成的任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
a.初始化全局變量(略)
b.設(shè)置VHDL輸入輸出信號(hào)與c程序變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這是通過(guò)調(diào)用mti_FindPort函數(shù)實(shí)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(hào)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)ip:
PortStruct ip；
就可以用:
ip_in1=mti_FindPort(ports,in1)；
來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)in1與變量in1的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
對(duì)輸出信號(hào)來(lái)說(shuō)，它的目的是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)。因此，這些變量(out1和out2)除了要找到對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)外，還要驅(qū)動(dòng)這些信號(hào)。對(duì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)可以通過(guò)調(diào)用mti_CreateDriver函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該函數(shù)的定義為:
mtiDriverIdT mti_CreateDriver(mtiSignalIdT sig)；