基于Modelsim FLI接口的协同仿真技术介绍

1 前言
    协同仿真就是利用仿真工具提供的外部接口，用其它程序设计语言(非HDL语言，如c语言等)编程，用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，用户可通过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，如图1所示。
 
图1 协同仿真示意图

2 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语言一起对HDL设计文件实现协同仿真。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(Foreign Language Interface)接口，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。

3 协同仿真系统的结构及意义
    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；三是模拟其它模块(如RAM)的功能，在系统级对设计文件仿真。实践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，如图2所示。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设计文件的协同仿真结构图

4 C语言对VHDL设计文件的协同仿真
4.1 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链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 sire；
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。
4.2 动态链接库的程序结构
    利用modelsim仿真时，可根据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)，如释放动态申请内存等；
⑤设置敏感表，给出在某些信号发生变化(如时钟上升沿等)时执行的函数。
⑥其它。
C程序的设计步骤如下:
(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mti.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。
(3)编写初始化函数
初始化函数的定义为:
init_func(mtiReginoIdT region,char *param,
mtiInterfaceListT *generics,mtiInterfaceListT *ports)
    各参数的意义可以参阅modelsim用户手册。
    下面结合上面给出的初始化函数要完成的任务进行详细说明。
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:
mfiSignalIdT mti_FindPort(mtiInterfaceListT *list,char *name)；
例如，定义输入输出信号对应的结构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)； [p]

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_ScheduIeDriver(mtiDriverIdT driver,long value,mtiDelayT delay,mtiDriverModeT mode)；
    其中，driver是输出信号对应的变量名，如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，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)；
    注册后，当仿真器运行命令restart时就会调用free(buf)。
    其它一些函数可以参照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:
processed proc；
proc=mti_CreateProcess("P_in 1 change",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:
mtiProcessldT 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。
4.3 C程序的编译
    对Windows平台，采用的编译器是MicrosoftVisual C++，并用如下的命令进行编译:
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的安装目录，<C_init_function>是c程序的初始化函数名，如我们给出的sim.c的sim_init。编译之后就可以生成.dll文件。
    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。

5 结论
    利用Moelsim的FLI功能，用c语言对所设计的模型进行功能验证，可以加大验证代码的覆盖率，减少验证代码的复杂度，加快验证的速度，缩短设计周期，可以更好的验证系统的通用性。另外，Modelsim的FLI功能使硬件描述语言(Verilog，VHDL)与c语言紧密结合在一起，为设计人员提供了更广阔的验证平台，更方便的验证方法。