基于ModelsimFLI接口的FPGA仿真技术.doc

基于Modelsim FLI接口的FPGA仿真技术摘要：介绍了如何利用modelsim提供的FLI（PoreignLanguageInterface）接口对VHDL设计文件进行同仿真，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1Modelsim及FLI接口介绍Modelsim是ModelTechnology(MentorGraphics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C语言一起对HDL设计文件实现协同仿真。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、优尤其是FPGA设计者的青睐。Modelsim的FLI接口（即ForeignLanguageInterface）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。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，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。3C语言对VHDL设计文件的协同仿真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）：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all；entitysimisport(in1:instd_logic;in2:instd_logic;out1:outstd_logic；out2：outstd_logic；）；endentitysim；architecturedllofsimisattributeforeign:string；attributeforeignofdll:architectureissim_initsim.dllbeginend;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某些变化（如时钟上升沿等）时执行的函数。（6）其它。给合3.1节的例子（sim.vhd），给出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。例如，可以把3.1节的sim.vhd输入输出信号对应的变量定义成结构：typedefstructdriverIDout1;driverIDout2;signallIDin1;signaledin2;PorStruct；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相对应。（3）编写初始化函数初始化函数的定义为：init_func(mtiReginoIdTregion,char*param,mtiInterfaceListT*generics,mtiInterfaceListT*ports)各参数的仿义可以参阅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：mtiSignalIdTmti_FindPort(mtiInterfaceListT*list,char*name);例如，定义输入输出信号对应的结构ip：PortStructip；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_CrateDriver函数来实现。该函数的定义为：mtiDriverIdTmti_CreateDriver(mtiSignalIdTsig)；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：voidmti_ScheduleDriver(mtiDriverIdTdriver,longvalue,mtiDelayTdelay,mtiDriverModeTmode);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最小时间单位相同；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：processedproc；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：mtiProcessIdTmti_CreateProcess(char*name,mtiVoidFuncPtrTfunc,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：voidmti_Sensitize(mtiProcessIdTproc,mtiSignalIdTsig,mtiProcessTriggerTwhen)；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。3.3C程序的编译对Windows平台，采用的编