無償ツールで実践する「ハード・ソフト協調検証」(1) ―― SystemVerilogのDPI-C機能
1．DPI-Cは，なぜ重要なのか？
本稿で利用するSystemVerilogのDPI-Cについては，EDAベンダのセミナや書籍，Webなどではあまり紹介されていません．しかし筆者は，DPI-Cは検証において非常に有用な機能だと思っています．
Verilog HDLでは，C言語を使うためにPLIとVPIという二つの機能を用意しています．PLIやVPIはVerilog HDLでは実現できない（実現するのが難しい）ことをC言語で実現するためのものです．例えばゲート・レベル・シミュレーションでSDFファイルから遅延情報を取り込んだり，波形表示ツールとのインターフェースを実現するのによく使われてきました（最近ではシミュレーション速度を上げるために，PLIやVPIを使わず，ダイレクト接続という方法でインターフェースを取っているものが増えている）．
PLIやVPIが一般に知られていないのは，使うための段取りが非常に面倒だからです．また，Verilog HDLの教科書や参考書は多くても，PLIやVPIの日本語の教科書や参考書は皆無に等しいことも影響しています．
このように実際に使う側から見て，PLIやVPIは非常に取り組みにくい側面がありました．一方，DPI-Cは，PLIやVPIのような使うための段取りがほとんど必要ありません．また，PLIやVPIでは，Verilog HDL側からC言語を呼ぶための機能を提供するだけでしたが，DPI-Cでは，C言語からSystemVerilogのtaskやfunctionにアクセスできます．筆者は，この機能がDPI-Cを使う最大のメリットであると考えています．
2．DPI-Cとは？
では，DPI-Cとはどのようなものなのでしょう？
DPIはDirect Programming Interfaceの略で，SystemVerilogと外部言語の間のインターフェスを可能にするためのものです．DPIを使うには，SystemVerilogコードと外部言語コードの2種類が必要になります．SystemVerilogコードをSystemVerilogレイヤと呼び，外部言語コードを外部言語レイヤと呼びます．外部言語レイヤは各言語ごとに定義しています．
SystemVerilogがIEEEによって標準化される前の規格である「SystemVerilog 3.1a」では，C言語を外部言語として定義したCレイヤのみを定義していました．標準化された「IEEE 1800-2005」では，C言語のDPIをDPI-Cとして定義しています．本稿でもIEEE 1800-2005の定義に従って，DPIではなく，DPI-Cの名称を使っています．
DPI-Cを使うためには，SystemVerilogレイヤとCレイヤにそれぞれコードが必要になりますが，PLIやVPIと比べると非常に簡便に使うことができます．SystemVerilogレイヤでは2種類の宣言，すなわちSystemVerilogコードからC言語コードの関数を使うためのimport宣言と，C言語コードからSystemVerilogコードのtaskやfunctionを使うためのexport宣言があります．
- SystemVerilogコードからC言語コードを使うときの宣言
import "DPI-C"
※SystemVerilog 3.1a ではimport "DPI" だった
- C言語コードからSystemVerilogコードのtaskやfunctionを使うときの宣言
export "DPI-C"
※SystemVerilog 3.1a ではexport "DPI" だった
import宣言は，taskとfunctionの2種類に分類できます．taskとfunctionの違いはSystemVerilogと同じで，シミュレーション時間が進むかどうかです．また，functionはpureとcontextに分類できます．pureあるいはcontextは，"DPI-C"とfunctionの間に入れます．pureはC言語側でSystemVerilogコードにアクセスしない場合にのみ使用できます．SystemVerilogコードにアクセスする場合やPLI/VPIの関数を使う場合は，pureではなくcontextを付けます．taskの場合は必ずcontextになりますが，contextを省略することができます．
import "DPI-C" pure function int a_x(int k );
import "DPI-C" context function void b_y(chandle h );
import "DPI-C" task c_z( input s, output t );
import "DPI-C" 部分以外は，通常のSystemVerilogコードと同じです．import "DPI-C"で宣言したtaskあるいはfunctionは，宣言したmoduleやprogramでのみ使うことができます．つまり，SystemVerilogのmodule/program内で定義するtaskやfunctionと同様に扱えるということです．
一方，export宣言はSystemVerilogコードにあるfunctionやtaskをC言語コードで使うためのもので，import宣言よりも簡単です．
export "DPI-C" function sv_func_a;
export "DPI-C" task sv_task_b;
functionやtaskの区別は必要ですが，import宣言のようにpureやcontextの区別，functionの戻り型，引き数（型や数）を指定する必要はありません．これは，export宣言しているmoduleあるいはprogram内で定義されているfunctionやtaskから戻り値や引き数を知ることができるので，わざわざ指定する必要がないからです．
ただし，C言語コードでexport宣言したfunctionやtaskの戻り値や引き数が正しくないと，シミュレータでSegmentation faultなどのエラーが発生する場合があるので注意してください．シミュレータによっては，export宣言を行っているfunctionやtaskに対するC言語コードの宣言文を自動的に生成してくれるオプションなどがあります．マニュアルなどで確認してみてください．
import宣言のfunctionで戻り値として使えるもの（SystemVerilogの型）は，void，byte，shortint，int，longint，real，shortreal，chandle，stringで，それぞれC言語のvoid，char，short，int，long long，double，float，void *，char * に対応します．functionやtaskへの引き数は，functionの戻り値と同様な型が指定できます．また，引き数については，その引き数がfunctionやtaskへの入力，出力，入出力になるかを示すために，input，output，inoutを指定できます．指定しないときは，inputが指定されているものとします．
最後に一つ注意しなければならない点を挙げておきます．import宣言においてtaskを指定した場合のC言語コードでの関数の戻り値の型は，常にintになります．また，通常は戻り値を0とします．taskなので戻り値が必要ないと思い，C言語コードの関数の戻り値の型をvoidにすると，シミュレーション実行時に正しく動作しなかったり，エラーが発生する場合があります．
（第2回の記事はこちら）
Verification Enginnerの戯言
http://blogs.yahoo.co.jp/verification_engineer
