基于FPGA的软硬件协同仿真加速技术

　　1 前言

　　在数字集成电路的设计中，当设计工程师在用硬件描述语言（HDL：Hardware Description Language）完成设计之后，需要通过仿真来检验设计是否满足预期的功能。在仿真中，设计工作师需要为设计项目建立一个测试平台，这个测试平台为设计项目提供尽可能完备的测试激励，并提供可供观测的输出响应，根据这些输出响应信息，设计工程师便可以判断设计项目是否满足预期的功能。在进行仿真工程时，设计工程师一般先对各个功能模块进行仿真验证，全部通过后再对整个系统设计进行仿真。当设计工程师在仿真中发现错误，就需要进行仔细调试，找出错误发生的原因并加以修改。

　　随着系统设计的复杂性不断增加，当设计集成度超过百万门后，设计正确性的验证比设计本身还要费劲，系统仿真的实时性很难满足要求。在针对复杂电路进行软件仿真时，系统的仿真时间往往需要占据大部分的设计时间。我们常常会为了仿真电路的某些功能，而不得不等上几个小时甚至几天。如何提高仿真效率，减少仿真复杂度，缩短仿真时间，将成为系统设计中的关键一环.利用基于C语言的设计和验证方法来代替传统的基于HDL语言设计的仿真，从而加快仿真速度，但是这种方法只适用设计的早期阶段。为了方便而快速的实现仿真验证，及时得到测试数据，本文提出运用硬件加速的思想，采用硬件仿真平台和软件仿真平台相互通信，即通过主机上运行的仿真软件与硬件平台相结合，实现软硬件协同加速仿真，仿真速度可以提高30倍。

　　2 软硬件协同加速仿真

　　在传统的设计与验证过程中，设计工程师首先将复杂的系统逐模块的用硬件描述语言表述，待所有模块在仿真器上单独验证通过后，通过模块间整合进行局部和整个设计的仿真，如图1所示。

　　图1 设计验证进程

　　假设模块Master和模块Slave是整个复杂设计中的一部分。模块Master负责把输入数据进行数据处理，随后把处理后数据发送到下一个模块 Slave，Slave模块完成一个功能复杂的算法运算，运算结束后把结果返回到模块Master中，进行下一步操作，设计框图如图2所示。

　　图2 设计例子框图

　　设计工程师在完成模块Master和模块Slave的HDL设计后，用HDL 仿真器软件分别对两个模块进行仿真验证，模块Master的仿真时间花费了五分钟，模块Slave花费了十五分钟，两个模块进行联合仿真花费了二十分钟。如果设计不正确，则要对设计进行重新修改和仿真直到验证通过为止，重复的仿真工作将要花费几天甚至几星期。为了缩短仿真时间，本文提出利用硬件加速的思想，对设计进行软硬件协同加速仿真。模块Master和模块Slave的功能首先分别在软件上仿真验证通过，待模块Slave经综合实现后，把模块 Slave下载到硬件中，模块Master仍然运行在软件上，通过HDL仿真工具提供的外部接口实现软硬件间的数据交互，进行模块Slave和模块 Master的联合仿真验证，一旦仿真通过，把模块Master和模块Slave都放入硬件中进行加速仿真验证，这时两个模块的联合仿真时间将大大缩短。

　　图3加速仿真

　　本文描述的加速仿真技术实现框图如图3所示。DUT（Design Under Test）由可综合的Verilog HDL语言设计完成。DUT综合实现后，下载到现场可编程门阵列（FPGA：Field Programmable Gate Array）中进行加速仿真验证。运行在HDL 仿真器上的测试文件TestBench给DUT发送测试激励并响应输出信息，FPGA与HDL仿真器间的信息交换由仿真器提供的Verilog 编程语言接口（PLI：Programming Language Interface）来实现。Verilog PLI为Verilog代码调用C语言编写的函数提供了一种机制，它提供了C语言动态链接程序与仿真器的接口，可以实现C语言和Verilog语言的协同仿真。由于C语言在过程控制方面比Verilog语言有优势，可以用C程序来产生测试激励和读取信号的值。以Windows平台为例，用户通过运用C语言和Verilog PLI编写接口函数，编译代码并生成动态链接库（DLL：Dynamic Link Library），然后在由Verilog语言编写的TestBench中调用这些函数。在执行TestBench文件进行仿真时，TestBench中的C函数一旦链接成功，C函数将详细信息传递给HDL仿真器，执行C函数就可以像仿真Verilog代码一样进行仿真。这样，设计工程师利用 Verilog PLI接口创建自己的系统调用任务和系统函数，就可以通过C语言编程对DUT进行辅助仿真，达到Verilog语法所不能实现的功能。

　　3 仿真实例

　　图4 软硬件协同加速仿真平台框图

　　软硬件协同加速仿真平台框图如图4所示。我们使用的主机配置为2.66GHz Intel Core2处理器和2GB内存。软件平台HDL仿真器运行于主机上，完成对仿真过程的控制和检测。HDL仿真器采用Mentor Graphics子公司Model Tech公司出品的ModelSim软件，它全面支持VHDL和Verilog语言的IEEE标准，可以实现VHDL、Verilog以及VHDL- Verilog混合设计的仿真，还能够与C语言一起实现对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，并且它支持众多的FPGA厂家库，是设计工程师做FPGA设计的RTL级和门级电路仿真的首选。

　　硬件平台主要以FPGA为核心，采用了一片Xilinx公司推出的Virtex-5 XC5VSX95T-FF1136 芯片，它内部有丰富的逻辑资源，包括14720片Slices，8784Kb的BlockRam，640片DSP 48E Slices，16个GTP 收发器，640个可配置 I/O 管脚。此外，该芯片内嵌了一个PCI-express Endpoint Block 硬核。Xilinx公司提供的IP核endpoint Block Plus for PCIe解决方案适用于 Virtex-5 SXT FPGA架构，该IP核例化了Virtex-5 SXT器件中内嵌的Virtex-5 Integrated Block for PCI Express，为实现单片可配置PCI-express总线解决方案提供了可能。PCI-express总线作为下一代高性能I/O互联技术和标准的局域I/O总线，将广泛应用于未来各种计算机平台。

　　在实验中，我们选用Xilinx公司的IP核FFT（Fast Fourier Transform）v6.0［8］模块作为DUT，该FFT核配置成Pipelined Streaming I/O的方式，它可以实现对任意间隔或者连续数据帧的处理。FFT模块在ModelSim软件上运行的仿真结果波形如图5所示。

　　图5 IFFT模块仿真波形

　　我们分别对DUT进行纯软件仿真和软硬件协同加速仿真测试，实验结果如图6所示。仿真结果与主机配置、设计的复杂度以及仿真时钟周期数有关。

　　图6 实验结果对比

　　4 结论

　　本文利用硬件加速的思想，提出了基于FPGA的软硬件协同加速仿真技术。用可综合的Verilog语言编写的设计测试文件（DUT）经综合实现后，下载到 FPGA中，TestBench仍然运行在主机的仿真器ModelSim软件上，通过Verilog编程语言接口（PLI）进行软硬件间的数据交互，从而实现对DUT的软硬件协同加速仿真。实验结果表明，相对于纯软件仿真，运用软硬件协同加速仿真技术仿真速度提高了30倍，这大大缩短了仿真时间，从而达到缩短设计周期的目的。

作者 江霞林，周剑扬，杨银涛，林晓立