Verilog編程語言界面入門知識簡介

設計師使用HDL已超過十年，用它們?nèi)〈谠韴D的設計方法并傳達設計理念。 Verilog和VHDL是電子設計中使用最廣泛的兩種HDL。 Verilog擁有約35,000名活躍的設計師，他們使用Cadence的Verilog軟件套件完成了超過50,000個設計。

即使Verilog成功，許多經(jīng)驗豐富的Verilog用戶仍然認為其編程語言界面（ PLI）作為“軟件任務”。一步一步的方法可以幫助您在編寫PLI函數(shù)時“打破僵局”。通過學習PLI設計的基本知識而不會被太多細節(jié)困擾，您將獲得可以立即使用的PLI基礎知識。

為什么要使用PLI？

PLI為Verilog提供了應用程序接口（API）。本質(zhì)上，PLI是一種從Verilog代碼調(diào)用C函數(shù)的機制。人們通常會調(diào)用在Verilog中調(diào)用PLI例程的構造，如果它是模擬器的一部分，則調(diào)用“系統(tǒng)任務”或“系統(tǒng)函數(shù)”，如果用戶編寫它，則調(diào)用“用戶定義的任務”或“用戶定義的函數(shù)”。由于PLI的基本機制在兩種情況下都保持不變，因此本文使用術語“系統(tǒng)調(diào)用”來表示這兩種結構。大多數(shù)Verilog模擬器包含的常見系統(tǒng)調(diào)用示例是$ display，$ monitor和$ finish。

您使用PLI主要用于執(zhí)行使用Verilog語法無法執(zhí)行的任務。例如，IEEE Standard1364-1995 Verilog有一個用于執(zhí)行文件寫入的預定義構造（$ fwrite，這是使用PLI編寫的另一個內(nèi)置系統(tǒng)調(diào)用），但它沒有用于直接從a讀取寄存器值的構造。文件（參考文獻2）。更常見的任務是PLI是實現(xiàn)預期結果的唯一方法，包括編寫功能模型，計算延遲和獲取設計信息。 （例如，沒有Verilog構造在設計層次結構中給出當前模塊的父實例名稱。）

為了說明創(chuàng)建PLI例程的基本步驟，請考慮清單1中的問題。問題比使用PLI解決的現(xiàn)實問題簡單得多，但它顯示了許多用于構建PLI例程的基本步驟。當您在列表中運行Verilog時，它應該在時間100打印寄存器的值為10，在時間300打印3.您可以考慮創(chuàng)建一個PLI例程作為兩個步驟：首先，編寫PLI例程在C;然后，編譯并將此例程鏈接到模擬器的二進制代碼。

編寫PLI例程

PLI例程與模擬器接口的方式因模擬器而異，盡管主要功能保持不變。本文討論兩種最流行的商業(yè)模擬器的接口機制，Cadence的Verilog-XL（參考文獻3）和Synopsys的VCS（參考文獻4）。雖然其他商業(yè)模擬器支持PLI，但它們的接口機制與這兩者沒有顯著差異。多年來，Verilog PLI已發(fā)展為PLI 1.0和Verilog程序接口（VPI）（參見側(cè)欄“Verilog PLI的簡史”）。本文僅涉及PLI 1.0。盡管接口部件和版本存在差異，但您可以將PLI例程的創(chuàng)建分解為四個主要步驟。

步驟1：包含頭文件

按照慣例，C程序在文件veriuser.c中實現(xiàn)PLI例程。雖然您可以更改此名稱，但在Verilog-XL環(huán)境中生成編譯腳本時，vconfig工具會采用此默認名稱?，F(xiàn)在，假設您將PLI例程保留在文件veriuser.c中。

在Verilog-XL環(huán)境中，文件veriuser.c必須以以下行開頭：

在VCS環(huán)境中，文件必須以：

開頭

這些頭文件包含程序?qū)⑹褂玫腣erilog PLI的最基本數(shù)據(jù)結構。

步驟2：聲明函數(shù)原型和變量

PLI例程由幾個函數(shù)組成。正如您對普通C程序所做的那樣，您應該在函數(shù)定義之前放置函數(shù)的原型聲明。對于這種情況，函數(shù)顯示為：

在上面的函數(shù)中，int原型聲明意味著這些函數(shù)在它們結束時返回一個整數(shù)執(zhí)行。如果沒有錯誤，則正常返回值為0.但是，如果函數(shù)位于單獨的文件中，則應將它們聲明為外部函數(shù)：

與任何其他C程序一樣，典型的PLI例程可能需要一些其他管家變量。

步驟3：設置基本數(shù)據(jù)結構

您必須定義一個數(shù)字PLI程序中的數(shù)據(jù)結構。 Verilog模擬器通過這些變量與C代碼通信。 Open Verilog International（OVI）（www.ovi.org/pubs.html）是一個標準化Verilog的組織，它只推薦一個強制數(shù)據(jù)結構veriusertfs。但是，這些數(shù)據(jù)結構的確切數(shù)量和語法因模擬器而異。例如，Verilog-XL需要四個這樣的數(shù)據(jù)結構及其功能，以便任何PLI例程工作; VCS不需要它們，而是使用單獨的輸入文件。

Verilog-XL的主要接口數(shù)據(jù)結構是一個結構數(shù)組或一個名為veriusertfs的表。 Verilog-XL使用此表來確定與此PLI例程對應的系統(tǒng)調(diào)用關聯(lián)的屬性。模擬器無法識別除veriusertfs之外的任何名稱。 veriusertfs的每個元素都有一個獨特的函數(shù)，你需要所有這些函數(shù)來實現(xiàn)正確編寫PLI例程的總體目標。 veriusertfs中的行數(shù)與用戶定義的系統(tǒng)調(diào)用數(shù)加上最后一個條目的行數(shù)相同，這是強制性的0.在這種情況下，veriusertfs數(shù)組應如下所示：

第一個條目usertask表示系統(tǒng)調(diào)用沒有返回任何內(nèi)容。它等同于Pascal中的過程或函數(shù)返回C中的void。

在前面的數(shù)據(jù)結構中，my_ checktf和my_calltf是用于實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用$ print_reg的兩個函數(shù)的名稱。這些名稱是任意的，您可以用其他名稱替換它們。函數(shù)my_checktf通常稱為checktf例程。它檢查傳遞的參數(shù)的有效性。同樣，my_calltf（通常稱為calltf例程）執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的主要任務。這些名稱在veriusertfs中的位置非常重要。例如，如果要將my_checkt用作任何其他名稱作為檢查函數(shù)，則它必須是第三個元素。函數(shù)veriusertfs為您在此例程中不會使用的一些其他用戶定義函數(shù)提供選項。零替換任何您不使用的函數(shù)。因此，條目中的第二，第四和第六個元素是零。表1總結了veriusertfs行中每個條目的目標。如果有其他系統(tǒng)調(diào)用，則需要在veriusertfs中為每個系統(tǒng)調(diào)用單獨的條目。

Verilog-XL還需要以下變量或函數(shù)：

第一個變量veriuser_version_str是一個字符串，表示應用程序的用戶定義 - 版本信息。 bool（布爾）變量是一個整數(shù)子類型，允許值為0和1.在大多數(shù)情況下，您可以使用Cadence為這些變量或函數(shù)提供的默認值。

在VCS中，而不是表，您在單獨的文件中使用等效信息，通常稱為pli.tab。該名稱也是用戶定義的。在使用$ print_reg的當前示例中，此文件的內(nèi)容為：

步驟4：組成函數(shù)

原型聲明到位后，您就可以編寫兩個函數(shù)my_checktf（）和my_calltf（），它們構成了PLI應用程序的主體。

如前所述，checktf例程檢查傳遞參數(shù)的有效性。最好檢查參數(shù)總數(shù)是否與預期相同，以及是否需要每個參數(shù)。例如，在這種情況下，您希望程序只傳遞一個類型為register的參數(shù)。您可以在函數(shù)my_checktf（）中執(zhí)行此任務（清單2）。

以tf_開頭的函數(shù)是庫函數(shù)，通常稱為實用程序例程。庫函數(shù)在前一個函數(shù)中使用，它們的用法是tf_nump（），它確定傳遞的參數(shù)數(shù)量，以及tf_typep（），它根據(jù)Verilog代碼中系統(tǒng)調(diào)用中的位置確定參數(shù)類型。在這種情況下，系統(tǒng)調(diào)用是$ print_reg。

因此，tf_typep（1）給出第一個參數(shù)的類型，tf_typep（2）給出第二個參數(shù)的類型，依此類推。如果參數(shù)不存在，則tf_typep（）返回錯誤。 （在這種情況下，tf_typep（2）不存在。）在當前示例中，您希望程序?qū)⒓拇嫫髦底鳛閰?shù)傳遞。因此，類型應該是tf_readwrite。如果導線是預期參數(shù)，則類型應為tf_readonly。為了便于錯誤條件檢查，最好首先檢查參數(shù)的數(shù)量，然后檢查它們的類型。 tf_error（）函數(shù)輸出錯誤消息并通知模擬器增加其錯誤計數(shù)。這些庫函數(shù)和常量是您在步驟1中包含在文件頂部的頭文件的一部分。

calltf函數(shù)是PLI例程的核心。它通常包含PLI例程的主體。在這種情況下，它應該讀取寄存器的值，然后打印該值。以下代碼顯示了如何完成此任務：

在上面的代碼中，io_printf（）與C中的printf（）執(zhí)行相同的工作，在標準輸出中打印值。此外，該函數(shù)在Verilog日志文件中打印相同的信息。函數(shù)tf_getp（）獲取寄存器的整數(shù)值。函數(shù)tf_gettime（）返回當前模擬時間，不需要輸入?yún)?shù)。 Calltf是PLI例程中最復雜的函數(shù)。它經(jīng)常運行幾百行。

現(xiàn)在你已經(jīng)創(chuàng)建了兩個主要功能，你需要把它們放在一個地方。清單3顯示了如何在Verilog-XL環(huán)境中實現(xiàn)$ print_reg。

接下來的任務是讓Verilog模擬器了解新系統(tǒng)調(diào)用的存在。要完成此任務，您必須編譯PLI例程，然后將其鏈接到模擬器的二進制文件。雖然您可以通過運行C編譯器并合并目標文件來手動將PLI代碼與Verilog二進制文件集成，但使用腳本更方便。在Verilog-XL中，一個名為vconfig的程序會生成此腳本。此腳本的默認名稱是cr_vlog。在生成此腳本時，程序vconfig會詢問您喜歡的已編譯Verilog的名稱。它還詢問是否包含來自標準供應商的模型庫，它們是PLI代碼。對于大多數(shù)這些問題，如果您在不輸入任何內(nèi)容的情況下按回車鍵輸入的默認答案就足夠了，除非您有自定義環(huán)境。最后，vconfig會詢問您的veriuser.c文件的路徑。一旦生成腳本cr_vlog，您只需要運行腳本來生成可以執(zhí)行新系統(tǒng)調(diào)用的自定義Verilog模擬器。

使用此PLI例程編譯的Verilog示例運行生成輸出Verilog-XL模擬器（清單4）。

修改寄存器的值

使用PLI是讀取設計信息并在設計數(shù)據(jù)庫中修改此信息。以下示例顯示了如何進行此修改。創(chuàng)建系統(tǒng)調(diào)用$ invert，以打印寄存器的值（如上例所示），按位反轉(zhuǎn)內(nèi)容，并打印此更新值。存在許多方法來反轉(zhuǎn)二進制數(shù)的值。通過使用簡單的算法進行反演，如下面的列表所示，可以幫助您更深入地了解PLI機制和庫函數(shù)：

將寄存器的內(nèi)容讀取為string;

將字符串中的所有字符串轉(zhuǎn)換為twos，將所有零轉(zhuǎn)換為1，將所有二進制轉(zhuǎn)換為零，將所有Z轉(zhuǎn)換為X，并使X保持不變;和

將修改后的字符串放回寄存器。

第二步將所有1轉(zhuǎn)換為零和0。請注意，在這種情況下，checktf函數(shù)與前一個函數(shù)沒有區(qū)別，因為在這兩種情況下輸入?yún)?shù)的數(shù)量和類型都是相同的。

創(chuàng)建PLI例程

列表圖5顯示了VCS環(huán)境中$ invert例程的實現(xiàn)。該程序使用以下庫函數(shù)：

tf_strgetp（）以字符串形式返回寄存器的內(nèi)容。只需liketf_getp（），它將寄存器的內(nèi)容讀作十進制。在清單5中，tf_strgetp（1，b）以二進制格式讀取第一個參數(shù)的內(nèi)容。 （h或o代替b，分別以十六進制或八進制格式讀?。?。例程然后將內(nèi)容復制到字符串val_string。

tf_strdelputp（）將值從字符串值規(guī)范寫入?yún)?shù)。該函數(shù)有許多參數(shù)，包括參數(shù)索引號（系統(tǒng)調(diào)用中參數(shù)的相對位置，最左邊的參數(shù)從1開始）;參數(shù)包含其值的字符串的大?。ㄔ谶@種情況下，它應與寄存器的大小相同）;編碼基數(shù);實際的字符串;和另外兩個與延遲相關的參數(shù)，你可以通過為它們傳遞零來忽略它們。雖然在當前示例中沒有顯示，但是tf_strdelputp（）的更簡單的十進制對應是tf_putp（）。

重要的是要記住程序只能更改或覆蓋來自PLI例程的某些對象的值。任何嘗試更改無法放在Verilog中的過程賦值左側(cè)的變量（例如連線）都會導致錯誤。通常，您可以修改tf_readwrite類型的變量的內(nèi)容。 checktf函數(shù)my_checktf（）檢查此功能。

清單5使用的另一個用戶定義函數(shù)是move（），它有三個參數(shù)。在第三個參數(shù)中，第二個參數(shù)替換第一個參數(shù)的每個匹配項。在當前情況下，對move（）的一系列調(diào)用將零更改為1和1更改為零。但是，一旦程序?qū)⒘戕D(zhuǎn)換為1，您必須將字符串中的轉(zhuǎn)換元素與原始元素區(qū)分開來。為了做出這種區(qū)分，程序首先將所有初始的更改為兩個。二是二進制邏輯的無效值，但您可以在此示例的中間步驟中使用它。最后，程序?qū)⑺袃蓚€轉(zhuǎn)換為零。程序通過使用tf_strdelputp（）函數(shù)將反轉(zhuǎn)的值放回寄存器來完成其任務。

清單6顯示了一個包含調(diào)用$ invert的Verilog程序示例。在VCS環(huán)境中，文件列出與PLI例程關聯(lián)的功能。雖然這個文件可以有任何名稱，但通常稱之為pli.tab。該文件等同于Verilog-XL中的veriusertfs []結構。當前示例中此文件的內(nèi)容為：

通過將此程序保存在test.v文件中，可以生成可執(zhí)行二進制文件pli_invert命令：

執(zhí)行pli_invert，你得到：

你現(xiàn)在了解PLI例程的基本結構以及將其鏈接到構建Verilog自定義版本的機制。您還可以通過PLI例程讀取，轉(zhuǎn)換和修改Verilog中設計數(shù)據(jù)庫的基本組件的值，并讀取例程的模擬時間。這些任務是PLI例程執(zhí)行的基本任務，也是最常用的任務?？紤]到PLI提供的所有信息，這些信息只是冰山一角。您還可以使用PLI訪問寄存器內(nèi)容以外的設計信息。 （有關Verilog和C建模的更多信息，請參閱參考文獻5和6。）