1、Modelsim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，用其他程序设计语言（非HDL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)：

      libraryieee;

      useieee.std_logic_1164.all;

      entitysimis

      port(

      in1:instd_logic;

      in2:instd_logic;

      out1:outstd_logic;

      out2:outstd_logic;

      );

      endentitysim;

      architecturedllofsimis

      attributeforeign:string;

      attributeforeignofdll:architectureissim_initsim.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

      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：

      typedefstruct{

      driverIDout1;

      driverIDout2;

      signalIDin1;

      signalIDin2;

      }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。

      3.3编写初始化函数

      初始化函数的定义为：

      init_func(mtiRegionIdTregion,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：

      mtiSignalIdTmti_FindPort(mtiInterfaceListT*list,char*name)；

      例如，定义输入输出信号对应的结构为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_CreateDriver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 tiDriverIdTdriver,longvalue,mtiDelayTdelay,mtiDriverModeTmode)；

      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：

      processIDproc;

      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)；

      name是在仿真器窗中显示的名称；func是执行的函数；后面的param是传给func的参数。mti_Sensitize的定义：

voidmti_Sensitize ProcessIdTproc,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。

      3.4C程序的编译

      对Windows平台，采用的编译器是MicrosoftVisualC++，并用如下的命令行进行编译：

      cl-c-I\modeltech\includeapp.c

      link-dll-export:app.obj\modeltech\win32\mtipli.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。