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,。

　　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:

　?、俪跏蓟肿兞?；

　?、谠O(shè)置VHDL輸入輸出信號(hào)與c程序變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

　?、墼O(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(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),；

　　由于這些變量一般只用于對(duì)外驅(qū)動(dòng)，因此可以簡(jiǎn)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(hào)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(hào)對(duì)應(yīng)的變量名,，如ip.out1和ip.out2；value是要設(shè)置(驅(qū)動(dòng))的值,，如高電平('1',，對(duì)應(yīng) value為3)、低電平('0',，對(duì)應(yīng)value為2),、高阻('z'，對(duì)應(yīng)value為4),、未賦值('U',，對(duì)應(yīng)value為0)等等；delay 是從當(dāng)前時(shí)間開始到把信號(hào)驅(qū)動(dòng)成給定值(value)的等待時(shí)間,，單位與仿真器當(dāng)前使用的最小時(shí)間單位相同,；mode為信號(hào)模式，有兩個(gè)值可供選擇:MTI_INERTIAL或者是MTI_TRANSPORT,，分別對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)VHDL語(yǔ)言的INERTIAL和TRANSPORT,。例如，設(shè)置信號(hào) 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(yùn)行命令restart)或退出仿真(運(yùn)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(qǐng)了存儲(chǔ)空間buf,，在仿真器"restart"時(shí)需要釋放，就可以用以下的函數(shù)調(diào)用來(lái)注冊(cè):

　　mti_AddRestartCB(free,buf),；

　　注冊(cè)后,，當(dāng)仿真器運(yùn)行命令restart時(shí)就會(huì)調(diào)用free(buf)。

　　其它一些函數(shù)可以參照MODELsim的用戶手冊(cè)這里不再詳述,。

　　e.設(shè)置敏感表,，給出在某些信號(hào)發(fā)生某些變化時(shí)(如時(shí)鐘上升沿等)執(zhí)行的函數(shù)。例如,，在輸入信號(hào)in1發(fā)生變化時(shí),，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(shuō),，先創(chuàng)建進(jìn)程,，然后設(shè)置敏感表。當(dāng)滿足敏感表的條件時(shí),，仿真器就會(huì)執(zhí)行該進(jìn)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(hào)名，即VHDL文件的輸入輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于C程序的變量,；when可以取MTI_EVENT或者M(jìn)TI_ACTIVE兩種值,。

　　4.3 C程序的編譯

　　對(duì)Windows平臺(tái)，采用的編譯器是MicrosoftVisual C++,，并用如下的命令進(jìn)行編譯:

　　cl -c -I app.c

　　link -dll -export: app.obj

　　 MODELtech.lib

　　上面的是MODELsim 的安裝目錄,，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(yǔ)言還是用HDL直接產(chǎn)生，要視設(shè)計(jì)者的應(yīng)用而定,，選取最簡(jiǎn)單的方式,。在大多數(shù)情況下，用c語(yǔ)言和HDL聯(lián)合生成測(cè)試向量會(huì)更方便些,。

　　5 結(jié)論

　　利用Moelsim的FLI功能,，用c語(yǔ)言對(duì)所設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行功能驗(yàn)證，可以加大驗(yàn)證代碼的覆蓋率,，減少驗(yàn)證代碼的復(fù)雜度,，加快驗(yàn)證的速度，縮短設(shè)計(jì)周期,，可以更好的驗(yàn)證系統(tǒng)的通用性,。另外，MODELsim 的FLI功能使硬件描述語(yǔ)言(Verilog,，VHDL)與c語(yǔ)言緊密結(jié)合在一起,，為設(shè)計(jì)人員提供了更廣闊的驗(yàn)證平臺(tái)，更方便的驗(yàn)證方法。