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。

3 C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）：

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：

typedef struct {

driverID out1;

driverID out2;

signallID in1;

signaled in2;

}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(mtiReginoIdT region,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：

mtiSignalIdT 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_CrateDriver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：

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：

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。

3.3 C程序的编译

      对Windows平台，采用的编译器是Microsoft Visual C++，并用如下的命令进行编译：

cl -c -I<install_dir>app.c

link -dll -export:<C_init_function>app.obj <install_dir>modeltech.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。 

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