摘要：介紹了如何利用modelsim提供的FLI(Foreign Language Interface)接口對VHDL設計文件進行協同仿真，給出了協同仿真的意義以及協同仿真的程序結構和系統結構。
1 前言
協同仿真就是利用仿真工具提供的外部接口，用其它程序設計語言(非HDL語言，如c語言等)編程，用輔助仿真工具進行仿真。Modelsim提供了與c語言的協同仿真接口。以Windows平臺為例，用戶可通過modelsim提供的c語言接口函數編程，生成動態鏈接庫，由modelsim調用這些動態鏈接庫進行輔助仿真，如圖1所示。
圖1 協同仿真示意圖
2 Modelsim及FLI接口介紹
Modelsim是Model Technology(Mentor Graphics的子公司)的HDL硬件描述語言仿真軟件，可以實現VHDL、Verilog以及VHDL-Verilog混合設計的仿真。除此之外，Modelsim還能夠與c語言一起對HDL設計文件實現協同仿真。同時，相對于大多數的HDL仿真軟件來說，Modelsim在仿真速度上也有明顯優勢。這些特點使Modelsim越來越受到EDA設計者、尤其是FPGA設計者的青睞。
Modelsim的FLI(Foreign Language Interface)接口，提供了c語言動態鏈接程序與仿真器的接口，可以通過c語言編程對設計文件進行輔助仿真。
3 協同仿真系統的結構及意義
Modelsim與c語言協同仿真，一是用于產生測試向量，避免手工編寫測試向量的繁瑣；二是可以根據程序計算結果自動檢查仿真結果正確與否；三是模擬其它模塊(如RAM)的功能，在系統級對設計文件仿真。實踐中一般是把一和二結合在一起，用程序產生仿真向量，一方面輸出給設計文件作為輸入，另一方面由程序本身對該向量計算，把得到的結果與仿真器的輸出結果比較，檢查邏輯是否正確，如圖2所示。至于模擬功能，現在已經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，然后與設計文件連接到一起仿真。
圖2 語言測試程序對VHDL設計文件的協同仿真結構圖
4 C語言對VHDL設計文件的協同仿真
4.1 構成框圖
仿真文件的構成如圖3所示，包括HDL文件和動態鏈接庫(即c程序)。圖中c程序對應的VHDL文件要負責聲明對應的動態鏈接庫文件名及初始化函數，另外還可以給出一些調用參數。動態鏈接中用到的輸入輸出信號也要在對應的VHDL文件中聲明。
圖3 仿真文件構成示意圖
例如，假定有一個DLL文件名為sim.dll，對應的初始化函數為sim_init，有輸入信號in1、in2，輸出信號out1、out2，可以這樣編寫對應的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；
仿真時，仿真器對頂層的HDL文件進行仿真，并根據各VHDL文件的動態鏈接庫聲明來調用、執行相應的動態鏈接庫。
4.2 動態鏈接庫的程序結構
利用modelsim仿真時，可根據VHDL文件的聲明，調用DLL文件(如sim.dll)。在VHDL文件中已經給出了調用文件(sim.dll)和初始化函數名(如sim_init)，modelsim根據這些信息，調用sim.dll中的sim_init函數，完成初始化工作。初始化包括：
①初始化全局變量；
②設置VHDL輸入輸出信號與c程序變量的對應關系；
③設置輸出信號的一些初始狀態(mti_ScheduleDriver)；
④設置在仿真器重新仿真(restart)和仿真器退出仿真(quit)等情況下執行的一些函數(mti_AddRestartCB和mti_AddQuitCB等)，如釋放動態申請內存等；
⑤設置敏感表，給出在某些信號發生變化(如時鐘上升沿等)時執行的函數。
⑥其它。
C程序的設計步驟如下：
(1)包含頭文件，包括c程序常用的一些頭文件和modelsim給出的外部語言接口頭文件mti.h。Modelsim給出的外部接口函數說明、類型定義等都在mti.h中。
(2)定義自己的結構體，這一點主要是為了編程方便，例如輸入輸出信號對應的變量在各函數中基本上都會用到，可以把這些變量定義成一個結構，便于參數傳遞。
(3)編寫初始化函數
初始化函數的定義為：
init_func(mtiReginoIdT region，char *param，
mtiInterfaceListT *generics，mtiInterfaceListT *ports)
各參數的意義可以參閱modelsim用戶手冊。
下面結合上面給出的初始化函數要完成的任務進行詳細說明。
a.初始化全局變量(略)
b.設置VHDL輸入輸出信號與c程序變量的對應關系。這是通過調用mti_FindPort函數實現的。mti_FindPort函數定義為：
mfiSignalIdT mti_FindPort(mtiInterfaceListT *list，char *name)；
例如，定義輸入輸出信號對應的結構ip：
PortStruct ip；
就可以用：
ip_in1=mti_FindPort(ports，"in1")；
來實現輸入信號in1與變量in1的對應關系。
對輸出信號來說，它的目的是產生驅動。因此，這些變量(out1和out2)除了要找到對應的輸出信號外，還要驅動這些信號。對信號的驅動可以通過調用mti_CreateDriver函數來實現。該函數的定義為：
mtiDriverIdT mti_CreateDriver(mtiSignalIdT sig)；
由于這些變量一般只用于對外驅動，因此可以簡單寫成下面的形式：
ip.out1 = mti+ CreateDriver(mti_FindPort(ports，"out1"))；
C.調用mti_ScheduleDriver函數，設置輸出信號的初始狀態。mti_ScheduleDriver函數的定義為：
void mti_ScheduIeDriver(mtiDriverIdT driver，long value，mtiDelayT delay，mtiDriverModeT mode)；
其中，driver是輸出信號對應的變量名，如ip.out1和ip.out2；value是要設置(驅動)的值，如高電平('1'，對應value為3)、低電平('0'，對應value為2)、高阻('z'，對應value為4)、未賦值('U'，對應value為0)等等；delay是從當前時間開始到把信號驅動成給定值(value)的等待時間，單位與仿真器當前使用的最小時間單位相同；mode為信號模式，有兩個值可供選擇：MTI_INERTIAL或者是MTI_TRANSPORT，分別對應于標準VHDL語言的INERTIAL和TRANSPORT。例如，設置信號out1的初始狀態為低電平：
mti_ScheduleDriver(ip.out1，2，0，MTI_INERTIAL)；
d.設置在仿真器重新仿真(運行命令restart)或退出仿真(運行命令quit-sim)等情況下調用的函數。這一部分主要是為了釋放內存或者保存當前狀態等。以restart為例，假設在程序中用malloc申請了存儲空間buf，在仿真器"restart"時需要釋放，就可以用以下的函數調用來注冊：
mti_AddRestartCB(free，buf)；
注冊后，當仿真器運行命令restart時就會調用free(buf)。
其它一些函數可以參照modelsim的用戶手冊這里不再詳述。
e.設置敏感表，給出在某些信號發生某些變化時(如時鐘上升沿等)執行的函數。例如，在輸入信號in1發生變化時，要執行函數in1_change(in1_change為用戶定義好的函數)，可以這樣定義：
processed proc；
proc=mti_CreateProcess("P_in 1 change"，in1_change，&ip)；
mti_Sensitize(proc，ip.in1，MTI_EVENT)；
也就是說，先創建進程，然后設置敏感表。當滿足敏感表的條件時，仿真器就會執行該進程。mti_CreateProcess函數的定義為：
mtiProcessldT 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；func是要執行的函數；后面的param是要傳給func的參數。mti_Sensitize的定義為：
void mti_Sensitize(mtiProcessIdT proc，mtiSignalIdT sig，mtiProcessTriggerT when)；
其中，proc為調用mti_CreateProcess的返回值；sig為信號名，即VHDL文件的輸入輸出信號對應于C程序的變量；when可以取MTI_EVENT或者MTI_ACTIVE兩種值。
4.3 C程序的編譯
對Windows平臺，采用的編譯器是MicrosoftVisual C++，并用如下的命令進行編譯：
cl -c -I app.c
link -dll -export： app.obj
modeltech.lib
上面的是modelsim的安裝目錄，是c程序的初始化函數名，如我們給出的sim.c的sim_init。編譯之后就可以生成.dll文件。
仿真向量是用c語言還是用HDL直接產生，要視設計者的應用而定，選取最簡單的方式。在大多數情況下，用c語言和HDL聯合生成測試向量會更方便些。
5 結論
利用Moelsim的FLI功能，用c語言對所設計的模型進行功能驗證，可以加大驗證代碼的覆蓋率，減少驗證代碼的復雜度，加快驗證的速度，縮短設計周期，可以更好的驗證系統的通用性。另外，Modelsim的FLI功能使硬件描述語言(Verilog，VHDL)與c語言緊密結合在一起，為設計人員提供了更廣闊的驗證平臺，更方便的驗證方法。
