原创 基于 Modelsim FLI 接口的FPGA仿真技术

摘要：本文介绍了如何利用modelsim提供的FLI（Foreign Language Interface）接口进行VHDL设计文件的协同仿真，给出了协同仿真的意义以及协同仿真的程序结构和系统结构。

关键词：FPGA，仿真软件，协同仿真

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; 
图 4  与动态链接库对应的 VHDL 文件(sim.vhd)示例

   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。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_CreateProcess("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 -I<install_dir>\modeltech\include app.c 
    link -dll -export:<C_init_function> app.obj <install_dir>\modeltech\win32\mtipli.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 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。