淺談System Verilog的DPI機(jī)制

在上一篇《淺談建模的意義和驗(yàn)證的危機(jī)》中，曾大肆鼓吹“對(duì)于認(rèn)知DUT，行為建模既是方法，也是目的”，“心中沒(méi)有她，又怎能待好她”，呼吁IC驗(yàn)證者要通過(guò)手寫(xiě)DUT的reference model來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DUT的規(guī)格特性的充分理解。然而，此篇內(nèi)容卻涉及調(diào)用第三方的代碼作為reference model。此刻耳畔仿佛想起了啪啪的打臉之聲。

System Verilog(SV)把其他編程語(yǔ)言統(tǒng)一成為外語(yǔ)，F(xiàn)oreign Programming Language（FPL）。Direct Programming Interface(DPI)是SV定義的一種專(zhuān)門(mén)集成外語(yǔ)代碼和處理SV之外的業(yè)務(wù)功能的機(jī)制，主要負(fù)責(zé)和廣大的外部語(yǔ)言代碼進(jìn)行溝通和交涉。如果用西安的各所大學(xué)來(lái)比喻SV的各個(gè)機(jī)制功能，那么DPI對(duì)應(yīng)的大致就是西安外事學(xué)院了。

海納百川，有容乃大是川大的校訓(xùn)。SV的制定者希望Test Bench能兼濟(jì)包容，也不希望所有組件和代碼都只能是由SV語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。并且不得不承認(rèn)，通過(guò)集成C/C++/Matlab的代碼，會(huì)縮短搭建驗(yàn)證平臺(tái)的時(shí)間，減少I(mǎi)C驗(yàn)證者的工作量。

在DPI機(jī)制中，仿真系統(tǒng)的資源被分成獨(dú)立的兩部分：SV-domain（SV語(yǔ)言區(qū)域）和FPL-domain（其他語(yǔ)言區(qū)域）。這些資源包括緩存數(shù)據(jù)和變量的存儲(chǔ)資源，也包括程序編譯鏈接和執(zhí)行的運(yùn)行資源。在驗(yàn)證平臺(tái)中調(diào)用FPL程序代碼時(shí)要遵循黑盒原則，即FPL代碼涉及的業(yè)務(wù)功能是獨(dú)立的，與SV部分要充分解耦。在SV和FPL中無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)對(duì)方代碼中的變量。

他們就像白天和黑夜。雖然黑夜給了我們黑色眼睛，我們也曾用它去尋找光明，但是黑夜永遠(yuǎn)不懂光明，正如白天不懂夜色的黑。

System Verilog 3.1版本支持的FPL只有C。其他語(yǔ)言可以通過(guò)C寫(xiě)的wrapper包裝一下實(shí)現(xiàn)跟SV的通信。

DPI專(zhuān)門(mén)定義了一些數(shù)據(jù)類(lèi)型，這些數(shù)據(jù)類(lèi)型與SV的多種數(shù)據(jù)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。在C程序的接口處，使用這些專(zhuān)門(mén)定義的參數(shù)，利用數(shù)據(jù)類(lèi)型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)SV-domain和C-domain的通信。為了便于使用，SV還為某些重要的數(shù)據(jù)類(lèi)型，量身定制了一系列的操作和處理函數(shù)。如何使用這些數(shù)據(jù)類(lèi)型和相應(yīng)的操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)domain的數(shù)據(jù)傳遞和轉(zhuǎn)換，是DPI關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，也是本文的干貨所在。

通常情況，C的函數(shù)都是不消耗仿真時(shí)間，即延時(shí)是0，瞬間完成，就像在SV中調(diào)用function一樣。只不過(guò)這個(gè)function的端口類(lèi)型只有input，output和inout，不支持ref。

為了把C語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類(lèi)型能映射到SV語(yǔ)言，SV定義了一個(gè)文件svdpi.h。在該文件中定義了許多的數(shù)據(jù)類(lèi)型，這些類(lèi)型基本可以和C語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類(lèi)型一一對(duì)應(yīng)。

上面表格是我挑出的比較重要的幾種數(shù)據(jù)類(lèi)型，而其中比較重要的是open array[]。

綠皮書(shū)有一章節(jié)（12.5）專(zhuān)門(mén)介紹它，在svdpi.h中也專(zhuān)門(mén)為它定義了很多的微操函數(shù)。

在C語(yǔ)言里面，函數(shù)接口的參數(shù)會(huì)劃分方向，對(duì)于輸入的變量，加上const，一旦在C程序中，對(duì)輸入變量進(jìn)行賦值操作，編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)。我覺(jué)得犯這種錯(cuò)誤的概率太低，沒(méi)必要加。問(wèn)道于何同學(xué)，覺(jué)得這種錯(cuò)誤還是比較常見(jiàn)的，建議加上。

在SV角度看，open array[ ]就是動(dòng)態(tài)數(shù)組（dynamic array）。SV之所以選擇動(dòng)態(tài)數(shù)組來(lái)進(jìn)行SV和C之間的數(shù)據(jù)內(nèi)容傳遞，是因?yàn)閯?dòng)態(tài)數(shù)組的深度可以靈活改變。只要在定義dpi接口的時(shí)候，把動(dòng)態(tài)數(shù)組的名稱(chēng)和C的對(duì)應(yīng)的數(shù)組關(guān)聯(lián)上，那么只需要在不同的場(chǎng)景中，通過(guò)動(dòng)態(tài)的改變動(dòng)態(tài)數(shù)組的深度，就可實(shí)現(xiàn)SV和C的數(shù)據(jù)傳遞。

隊(duì)列（queue)表示有意見(jiàn)，嘟嘟囔囔的撅著小嘴問(wèn)，為啥不選我？

先坐下吧，閔老師扶了扶眼鏡說(shuō)，SV和C的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)雖然都放在內(nèi)存中，但是系統(tǒng)需要把它們倆的存儲(chǔ)空間分開(kāi)，最忌諱內(nèi)存越界。動(dòng)態(tài)數(shù)組在每次使用之前，需要先通過(guò)new[N]來(lái)分配空間，之后動(dòng)態(tài)數(shù)組的內(nèi)存空間就確定了。然而隊(duì)列的存儲(chǔ)空間是一直可變的，SV雖然會(huì)初始時(shí)刻給你分配一定空間，但是當(dāng)元素把空間裝滿(mǎn)后，SV會(huì)自動(dòng)分配更多的空間。這樣就容易造成內(nèi)存越界。

關(guān)聯(lián)數(shù)組（associative array）也想發(fā)言，把肥嘟嘟的小手舉得高高的。

先把手放下來(lái)，閔老師笑著輕輕擺了擺手，你太離散了，存儲(chǔ)的都是稀疏和分散的數(shù)據(jù)，SV仿真器要采用tree或hash table的方式來(lái)存放，會(huì)帶來(lái)額外的存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)。

以上就是DPI的相關(guān)背景介紹。干說(shuō)不練假把式，我們舉個(gè)例子吧。

如下圖所示，peak_find是一個(gè)matlab函數(shù)，輸入變量signal包含多個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算和處理，輸出4個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)到變量peak_two之中。

將該函數(shù)集成到SV的Test Bench中，使用matlab engine的方式需要定義一個(gè)c程序?qū)⑵浒饋?lái)，名稱(chēng)如下所示。

void peak_find_dpi(const svOpenArrayHandle signal_i, svOpenArrayHandle peak_two_o);

其接口參數(shù)就用到了開(kāi)放數(shù)組。

該C函數(shù)可分為如下幾步：

圖4 dpi.c的流程圖

站在SV角度看，C程序是外來(lái)的，是舶來(lái)品，需要“進(jìn)口”,即import。代碼只需一行: import “DPI-C” function void name_of_your_c_function()；

假如我們國(guó)家只能進(jìn)口美國(guó)的商品，其他國(guó)家的貨物就得都先到美國(guó)，再來(lái)中國(guó)。同樣的道理，用matlab engine的方式，調(diào)用matlab程序，得用C程序先包裝一下。

matlab程序如此，C++程序亦是如此。

對(duì)于C程序，仿真時(shí)通常是用GCC編譯，而matlab程序是用到了mathWorks公司的MATLAB工具，SV仿真需要用到Synopsys公司的VCS工具。夜路走的多了難免遇到鬼，工具用的多了也難免有版本問(wèn)題。

so文件報(bào)錯(cuò)是一個(gè)典型的工具版本不一致引入的問(wèn)題。如下圖所示。這個(gè)問(wèn)題其實(shí)是IT問(wèn)題，不是IC驗(yàn)證技術(shù)問(wèn)題，但是它跟IC驗(yàn)證息息相關(guān)。

就像神農(nóng)嘗百草，梅同學(xué)通過(guò)嘗試多個(gè)版本的MATLAB，GCC和VCS，最終發(fā)現(xiàn)GCC4.8.5+MATLAB2015B+2017以上VCS的組合可以比較穩(wěn)妥。同時(shí)把/usr/lib64/libstdc++.so也要更新到6.0.21。遂搞定這個(gè)問(wèn)題。