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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)言一起實(shí)現(xiàn)對(duì) HDL 設(shè)計(jì)文件的協(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，用其他程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(非 HDL 語(yǔ)言，如C 語(yǔ)言等)編程，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)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(圖 1)。 圖 1協(xié)同仿真示意圖 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;三是模擬其他模塊(如 RAM)的功能，在系統(tǒng)級(jí)對(duì)設(shè)計(jì)文件仿真。實(shí)際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(圖 2)。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)?VHDL 設(shè)計(jì)的協(xié)同仿真結(jié)構(gòu)圖 3、C語(yǔ)言對(duì) VHDL設(shè)計(jì)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)連接庫(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。 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 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) modelsim 在仿真時(shí)，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. 等等。 下面結(jié)合 3.1的例子(sim.vhd)，給出C 程序的設(shè)計(jì)步驟。 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m ti.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。例如，我們可以把 3.1 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 對(duì)應(yīng)。 3.編寫(xiě)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的用戶(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)來(lái)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  ortStruct 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(xiě)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)�！ ti_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，如我們這里的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 3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，我們?cè)O(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)我們?cè)诔绦蛑杏胢alloc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); 在注冊(cè)后，當(dāng)仿真器運(yùn)行命令restart時(shí)就會(huì)調(diào)用free(buf)。 其他一些函數(shù)可以參照Modelsim的用戶(hù)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(hù)定義好的函數(shù))，可以這樣定義： processID proc; proc = mti_Cre ateProcess("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(mǎn)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(chēng);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。 3.4 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。 最后，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、《可編程邏輯系統(tǒng)的VHDL設(shè)計(jì)技術(shù)》[美]Kevin Skahill編著，朱明程孫普 譯，東南大學(xué)出版社,1998.9 2、“Modelsim User’s Manual”, Mentor Graphics, Modelsim幫助文件 |
