8.1 Verilog PLI 简介

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2023-03-14

进行数字设计时，经常会遇到特殊的情况，Verilog 中的任务和函数已经不能满足仿真需求，需要自定义一些系统任务和函数。编程语言接口（PLI， Program Language Interface）提供了一套接口子程序，用于访问设计内部的数据结构，并可以提取仿真环境信息。用户可以调用这些子程序，自定义系统任务和系统函数，与设计内部数据以及 Verilog 仿真器环境进行交互。

PLI 功能

通俗来讲，Verilog PLI 提供了一套 C 语言函数，设计人员可以调用这些集成函数编写软件 C 程序。RTL 编译时，将编写的软件程序也集成到仿真环境中。仿真运行时，通过系统任务调用的方式，就可以动态的去访问仿真中的数据结构。这种访问是双向的，不仅可以从仿真器的数据结构中读取信息，还能修改数据结构的信息。

PLI 的功能是十分强大的，其用途只局限于设计人员的想象力。

PLI 允许用户用 C 编写自定义的系统任务和函数，可以完成用 Verilog 不能完成的复杂操作。
一些应用软件，例如文件读写工具，延迟计算工具，也可以用 PLI 编写。
PLI 可提取设计信息，例如访问层次、互连情况、以及特定类型的逻辑元件数量等。
PLI 可用于编写专用的输出显示程序，例如一些专用的波形观测器，生成一些逻辑互连、层次、数据波形等信息。
PLI 可完成繁琐的监测任务或激励任务。
PLI 能控制仿真的过程，例如暂停、退出，便于调试。
PLI 还可以扩展的用途有，RAM/ROM程序下载工具，功耗分析，CModel 接口，协同仿真环境……

这里总结下 PLI 经常使用的功能：

(1) 实现 CModel 与 Verilog 模型的共同仿真。对于比较复杂的系统，开发者经常需要先制作一个能够正常工作的用 C 语言描述的模型，然后逐模块地将其改写为 Verilog 表述。
(2) 产生测试激励，或直接进行验证。对于数据量比较大的输入激励，或比较复杂的控制输入，以及特定环境下的数据验证，PLI 实现比 Verilog 更具有优势。
(3) 捕获仿真过程和结果，并以用户易于接受的方式输出。例如一些编解码的模块，使用用户自定义的显示效果，更容易调试。
(4) 软硬件联合仿真。例如设计中包含 CPU 实体，可以将软件编译成机器码加载到相应的 ROM中进行联合仿真。

PLI 版本

PLI 的发展主要经历了 3 代。

1985-TF 接口

第一代被称为任务/函数（Task/Function）接口，简称 TF 接口。TF 接口包含一套 C 语言函数库，均以 tf_ 为前缀，定义在 veriuser.h 中。这些 C 函数一般称为 TF 子程序，主要包括用户自定义任务和函数、实用函数、回调机制和数据写输出。

1989-ACC 接口

第二代被称为存取（Access）接口，简称 ACC 接口。ACC 接口中的函数均以 acc_ 为前缀，定义在 acc_user.h 中。ACC 子程序主要用于访问和修改 Verilog 描述的多种对象。ACC 库函数是 TF 库函数的叠加，而非替换。

一般 PLI 接口特指是 TF 和 ACC 接口。

1995-VPI 接口

第三代被称为过程接口（Verilog Process Interface），简称 VPI 接口。VPI 子程序是 TF 和 ACC 子程序功能的合集，定义在 vpi_user.h 中。

相对于 PLI 子程序又多又乱，VPI 尤显精炼。由于 PLI 诞生之初，没有统一的标准，完全是在实践中发展，导致常用的 PLI 库函数有近百个，写程序时基本都要查手册。

而 VPI 是根据一定的标准统筹规划制定的，融入了很多面向对象的思想，库函数精简度远超 PLI。但是 VPI 结构比较复杂，不容易上手。VPI 最大的弱点还是对仿真器的支持并不友好。

2003-SystemVerilog 与 DPI

作为 Verilog 的扩展，2003 年 SystemVerilog 标准发布，支持更多形式的仿真。

DPI 接口（Direct Procee Interface）成为软件与 SystemVerilog 交互的接口，目前占主流。

一般情况下，使用 PLI 的 TF 和 ACC 接口就能满足仿真需求了。本章只对 TF 和 ACC 接口进行简单介绍。其他接口待那个少年学成之日，再一一分享给大家。

PLI 使用

通过编写系统任务和系统函数，用户能够用 PLI 和 C 程序扩展 Verilog 语言。这些用户定义的系统任务和函数的名称必须以美元符号 "$" 开头。此时 Verilog 里面的任务相当于一个子程序。当调用任务时，仿真器的执行流程跳转到子程序，完成任务后执行流程返回。Verilog 任务并不返回数值，但是可以有输入、输出和双向的形参。

Verilog 里面的函数跟大多数语言里面的函数一样。当调用函数时，它运行一套指令，然后返回一个数值给调用它的指令。

PLI 流程

使用 PLI 接口完成用户自定义系统任务的基本流程如下所示。

下面以简单的系统任务 $hello_xnip 为例进行说明。该系统任务被调用时，会输出一行字符串 "Hello Xnip!"。

PLI 编写系统任务

用 C 语言描述的打印程序如下所示，文件命名为 hello_c 。

为说明 PLI 使用的一般流程，此程序并没有调用 TF/ACC 子程序。

实例

#include "stdio.h" //不包含 PLI 库子程序
int hello_xnip ( ) {
printf ( "Hello Xnip! \n" ) ;
}

PLI 连接仿真器

以 VCS 使用为例，编译或创建 VCS 编译时需要的与 C 相关的文件。

对上述 hello_c 进行简单的编译，输出 hello_o 文件。注意相对路径。

gcc -c ../tb/hello_c

创建 VCS 可识别的链接 table 文件，文件命名为 hello_tab, 内容如下。

$hello_xnip call=hello_xnip

Verilog 调用系统任务

在 Verilog 中以系统任务调用的方式调用 $hello_xnip，描述如下。

实例

`timescale 1ns / 1ps
module test ;
initial begin
# 10 ;
$hello_xnip ;
end

initial begin
forever begin
# 100 ;
if ( $time >= 10000 ) $finish ;
end
end
endmodule

Verilog 编译仿真

对 RTL 和编写的 PLI 中间文件进行编译。表明要链接 PLI 库中的表文件时，需要用 "-P" 参数指定。例如该仿真中应该在 VCS 命令行中增加如下参数（注意相对路径）：

 
-P ../tb/hello_tab hello_o

仿真结果中可以看到打印的信息，截图如下。

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