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

　　Mentor公司的ModelSim是业界秀的HDL语言仿真软件，它能提供友好的仿真环境，是业界的单内核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器。它采用直接优化的编译技术、Tcl/Tk技术、和单一内核仿真技术，编译仿真速度快，编译的代码与平台无关，便于保护IP核，个性化的图形界面和用户接口，为用户加快调错提供强有力的手段，是FPGA/ASIC设计的仿真软件。

　　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。

　　ModelSim分几种不同的版本：SE、PE、LE和OEM,其中SE是的版本，而集成在 Actel、Atmel、Altera、Xilinx以及Lattice等FPGA厂商设计工具中的均是其OEM版本。SE版和OEM版在功能和性能方面有较大差别，比如对于大家都关心的仿真速度问题，以Xilinx公司提供的OEM版本ModelSim XE为例，对于代码少于40000行的设计，ModelSim SE 比ModelSim XE要快10倍；对于代码超过40000行的设计，ModelSim SE要比ModelSim XE快近40倍。ModelSim SE支持PC、UNIX和LINUX混合平台；提供全面完善以及高性能的验证功能；全面支持业界广泛的标准；Mentor Graphics公司提供业界的技术支持与服务。

　　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

　　VHDL语言是一种用于电路设计的语言。它在80年代的后期出现。初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言 .VHDL翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言，主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC.

　　VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。

　　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。

　　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)；

　　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

　　C语言是目前世界上流行、使用广泛的面向过程的程序设计语言。 C语言对操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场合，用C语言明显优于其它语言，许多大型应用软件都是用C语言编写的。C语言具有绘图能力强，可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于三维，二维图形和动画是它数值计算的语言。C语言既有语言的特点，又具有汇编语言的特点；既是一个成功的系统设计语言，有时一个使用的程序设计语言；既能用来编写不依赖计算机硬件的应用程序，又能用来编写各种系统程序；是一种受欢迎、应用广泛的程序设计语言

　　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 app.c

　　link -dll -export: app.obj

　　 MODELtech.lib

　　上面的是MODELsim 的安装目录，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。