基于Modelsim FLI接口的FPGA仿真技术

　　1、Modelsim 及 FLI接口介绍

　　Modelsim是 Model Technology(Mentor Graphics的子公司)的 HDL 硬件描述语言仿真软件，可以实现 VHDL, Verilog，以及 VHDL-Verilog 混合设计的仿真。除此之外，Modelsim还能够与 C 语言一起实现对 HDL 设计文件的协同仿真。同时，相对于大多数的 HDL 仿真软件来说，Modelsim 在仿真速度上也有明显优势。这些特点使 Modelsim 越来越受到 EDA设计者、尤其是 FPGA 设计者的青睐。

　　Modelsim的 FLI接口(即 Foreign Language InteRFace)提供了C 语言动态链接程序与仿真器的接口，可以通过 C 语言编程对设计文件进行辅助仿真。

　　2、协同仿真系统结构及意义

　　协同仿真就是利用仿真工具提供的外部接口，用其他程序设计语言(非 HDL 语言，如C 语言等)编程，辅助仿真工具进行仿真。Modelsim 提供了与 C 语言的协同仿真接口。以Windows 平台为例，用户通过 modelsim提供的 C 语言接口函数编程，生成动态链接库，由modelsim调用这些动态链接库进行辅助仿真(图 1)。

　　图 1协同仿真示意图

　　Modelsim 与 C 语言协同仿真一是用于产生测试向量，避免手工编写测试向量的繁琐;二是可以根据程序计算结果自动检查仿真结果正确与否;三是模拟其他模块(如 RAM)的功能，在系统级对设计文件仿真。实际中一般是把一和二结合在一起，用程序产生仿真向量，一方面输出给设计文件作为输入，另一方面由程序本身对该向量计算，把得到的结果与仿真器的输出结果比较，检查逻辑是否正确(图 2)。至于模拟功能，现在已经有一些通用芯片的模拟程序，如 denali 可以模拟 RAM 的功能。另外，用户也可以利用 modelsim 提供的编程接口自己模拟一些芯片的行为，然后与设计文件连接到一起仿真。

　　图 2 语言测试程序对 VHDL 设计的协同仿真结构图

　　3、C语言对 VHDL设计的协同仿真

　　3.1 构成框图

　　仿真文件的构成如图 3 所示，包括 HDL 文件和动态链接库(即 C 程序)。图中 C 程序对应的 VHDL 文件要负责声明对应的动态连接库文件名及初始化函数，另外还可以给出一些调用参数。动态链接库中用到的输入输出信号也要在对应的 VHDL 文件中声明。

　　图3 仿真文件构成示意图

　　例如，假定有一个DLL文件名为sim.dll,对应的初始化函数为sim_init，有输入信号in1，in2，输出信号 out1，out2，可以这样编写对应的 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 sim;

　　architecture dll of sim is

　　attribute foreign : string;

　　attribute foreign of dll : architecture is "sim_init sim.dll”

　　begin

　　end;

　　仿真时，仿真器对顶层的 HDL 文件进行仿真，并根据各 VHDL 文件的动态链接库声明来调用、执行相应的动态链接库。

　　3.2 动态链接库的程序结构

　　modelsim 在仿真时，根据 VHDL 文件的声明，调用 DLL 文件(如 sim.dll)。在 VHDL文件中已经给出了调用文件(sim.dll)和初始化函数名(如 sim_init)，modelsim根据这些信息，调用 sim.dll中的 sim_init 函数，完成初始化工作。初始化包括：

　　1. 初始化全局变量;

　　2. 设置 VHDL 输入输出信号与 C 程序变量的对应关系;

　　3. 设置输出信号的一些初始状态(mti_ScheduleDriver);

　　4. 设置在仿真器重新仿真(restart)和仿真器退出仿真(quit)等情况下执行的一些函

　　数(mti_AddRestartCB 和mti_AddQuitCB 等)，如释放动态申请的内存等等;

　　5. 设置敏感表，给出在某些信号发生某些变化(如时钟上升沿等)时执行的函数。

　　6. 等等。

　　下面结合 3.1的例子(sim.vhd)，给出C 程序的设计步骤。

　　1.包含头文件，包括 C程序常用的一些头文件和 Modelsim给出的外部语言接口头文件m ti.h。Modelsim给出的外部接口函数说明、类型定义等都在 mti.h 中。

　　2.定义自己的结构体，这一点主要是为了编程方便，例如输入输出信号对应的变量在各函数中基本上都会用到，可以把这些变量定义成一个结构，便于参数传递。例如，我们可以把 3.1 的 sim.vhd 输入输出信号对应的变量定义成结构：

　　typedef struct {

　　driverID out1;

　　driverID out2;

　　signalID in1;

　　signalID in2;

　　}PortStruct;

　　其中 driverID 表示输出信号对应的变量;signalID表示输入信号对应的变量。这样，这里定义的变量 out1, out2, in1, in2 就分别与 sim.vhd中的信号 out1, out2, in1, in2 对应。

　　3.编写初始化函数

　　初始化函数的定义为：

　　init_func(mtiRegionIdT region, char *param, mtiInteRFaceListT*generics, mtiInterfaceListT *ports)

　　各参数的含义可以参阅 modelsim的用户手册。

　　下面结合上面给出的初始化函数要完成的任务来详细说明。

　　a.初始化全局变量(略)

　　b.设置 VHDL 输入输出信号与 C 程序变量的对应关系。这是通过调用 mti_FindPort 函数实现的。mti_FindPort 函数定义为：

　　mtiSignalIdT mti_FindPort(mtiInterfaceListT *list, char *name);

　　例如，定义输入输出信号对应的结构为ip:PortStruct ip;

　　就可以用：ip.in1 = mti_FindPort(ports, “in1”);来实现输入信号in1与变量in1的对应关系。

　　对输出信号来说，它的目的是产生驱动，因此，这些变量(out1和out2)除了要找到对应的输出信号外，还要驱动这些信号。对信号的驱动可以通过调用　　mti_CreateDriver函数来实现。该函数的定义为：mtiDriverIdT 　　mti_CreateDriver(mtiSignalIdT sig);

　　由于这些变量一般只用于对外驱动，因此可以简单写成下面的形式：

　　ip.out1 = mti_CreateDriver(mti_FindPort(ports, “out1”));

　　c.调用mti_ScheduleDriver函数，设置输出信号的初始状态。　　mti_ScheduleDriver函数的

　　定义为：void mti_ScheduleDriver(mtiDriverIdT driver, long value, 　　mtiDelayT delay, mtiDriverModeT mode);

　　其中driver是输出信号对应的变量名，如我们这里的ip.out1和ip.out2;value是要设置(驱动)的值，如高电平(‘1’，对应value为3)、低电平(‘0’，对应value为2)、高阻(‘Z’，对应value为4)、未赋值(‘U’，对应value为0)等等;delay是从当前时间开始到把信号驱动成给定值(value)的等待时间，单位与仿真器当前使用的最小时间单位相同;mode为信号模式，有两个值可供 3选择：MTI_INERTIAL或者是MTI_TRANSPORT，分别对应于标准VHDL语言的INERTIAL和TRANSPORT。例如，我们设置信号out1的初始状态为低电平：mti_ScheduleDriver(ip.out1, 2, 0, MTI_INERTIAL);

　　d.设置在仿真器重新仿真(运行命令restart)或退出仿真(运行命令quit –sim)等情况下调用的函数。这一部分主要是为了释放内存或者保存当前状态等。以restart为例，假设我们在程序中用malloc申请了存储空间 buf，在仿真器“restart”时需要释放，就可以用以下的函数调用来注册：mti_AddRestartCB(free, buf);

　　在注册后，当仿真器运行命令restart时就会调用free(buf)。

　　其他一些函数可以参照Modelsim的用户手册，这里不再详述。

　　e.设置敏感表，给出在某些信号发生某些变化时(如时钟上升沿等)执行的函数。例如，在输入信号in1发生变化时，要执行函数in1_change(in1_change为用户定义好的函数)，可以这样定义：

　　processID proc;

　　proc = mti_Cre ateProcess("P_in1change", in1_change, &ip);

　　mti_Sensitize(proc, ip.in1, MTI_EVENT);

　　也就是说，先创建进程，然后设置敏感表，当满足敏感表的条件时，仿真器就会执行该进程。

　　mti_CreateProcess函数的定义为： mtiProcessIdT mti_CreateProcess(char *name, mtiVoidFuncPtrT func, void *param);

　　其中name是将要在仿真器窗口中显示的名称;func是要执行的函数;后面的param是要传给func的参数。mti_Sensitize的定义为：void mti_Sensitize(mtiProcessIdT proc, mtiSignalIdT sig, mtiProcessTriggerT when);

　　其中proc为调用mti_CreateProcess的返回值;sig为信号名，即VHDL文件的输入输出信号对应于C程序的变量;when可以取MTI_EVENT或者MTI_ACTIVE两种值。

　　3.4 C程序的编译

　　对 Windows平台，采用的编译器是 Microsoft Visual C++，并用如下的命令行进行编译：

　　cl -c -Imodeltechinclude app.c

　　link -dll -export: app.obj modeltechwin32mtipli.lib

　　上面的是 modelsim 的安装目录，是 C 程序的初始化函数名，如我们给出的 sim.c 中的 sim_init。编译之后就可以生成.dll 文件。

　　最后，仿真向量是用 C语言还是用 HDL 直接产生，要视设计者的应用而定，选取最简单的方式。在大多数情况下，用 C语言和 HDL 联合生成测试向量会更方便些。

　　参考文献：

　　1、《可编程逻辑系统的VHDL设计技术》[美]Kevin Skahill编著，朱明程孙普 译，东南大学出版社,1998.9

　　2、“Modelsim User’s Manual”, Mentor Graphics, Modelsim帮助文件