??? 摘? 要: 介紹了如何利用modelsim提供的FLI(Foreign Language Interface)接口對(duì)VHDL設(shè)計(jì)文件進(jìn)行協(xié)同仿真,給出了協(xié)同仿真的意義以及協(xié)同仿真的程序結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。?

??? 關(guān)鍵詞: FPGA? 仿真軟件? 協(xié)同仿真

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1 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接口(即Foreign Language Interface)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。?

2 協(xié)同仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及意義?

??? 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。?

??? 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。?

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3 C語(yǔ)言對(duì)VHDL設(shè)計(jì)文件的協(xié)同仿真?

3.1 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)鏈接庫(kù)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。?

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??? 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 sim;?

??? 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)。?

3.2 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)的內(nèi)存等;?

??? (5)設(shè)置敏感表,給出在某些信號(hào)發(fā)生某些變化(如時(shí)鐘上升沿等)時(shí)執(zhí)行的函數(shù)。?

??? (6)其它。?

??? 結(jié)合3.1節(jié)的例子(sim.vhd),給出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。例如,可以把3.1節(jié)的sim.vhd輸入輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的變量定義成結(jié)構(gòu):?

??? typedef struct {?

??? ??? driverID??? out1;?

??? ??? driverID??? out2;?

??? ??? signalID??? in1;?

??? ??? signalID??? in2;?

??? }PortStruct;?

??? 其中,driverID表示輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的變量;signalID表示輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的變量。這樣,這里定義的變量out1、out2、in1、in2就分別與sim.vhd中的信號(hào)out1、out2、in1、in2相對(duì)應(yīng)。?

??? (3)編寫初始化函數(shù)?

??? 初始化函數(shù)的定義為:?

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

??? 各參數(shù)的含義可以參閱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:?

??? mtiSignalIdT 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)為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_ScheduleDriver(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(kāi)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:?

??? processID proc;?

??? proc=mti_CreateProcess(“P_in1change”, 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:?

??? mtiProcessIdT 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。?

3.3 C程序的編譯?

??? 對(duì)Windows平臺(tái),采用的編譯器是Microsoft Visual C++,并用如下的命令行進(jìn)行編譯:?

??? cl -c -Imodeltechinclude app.c?

??? link -dll -export: app.obj modeltechwin32mtipli.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中的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。?

參考文獻(xiàn)?

1 [美]Kevin Skahill編著,朱明程,孫普譯.可編程邏輯系統(tǒng)的VHDL設(shè)計(jì)技術(shù).東南大學(xué)出版社,1998