【数字IC验证快速入门】18、SystemVerilog学习之基本语法5（并发线程...内含实践练习）

导读：作者有幸在中国电子信息领域的排头兵院校“电子科技大学”攻读研究生期间，接触到前沿的数字IC验证知识，旁听到诸如华为海思、清华紫光、联发科技等业界顶尖集成电路相关企业面授课程，对数字IC验证有了一些知识积累和学习心得。为帮助想入门前端IC验证的朋友，思忱一二后，特开此专栏，以期花最短的时间，走最少的弯路，学最多的IC验证技术知识。

一、内容概述

• 逻辑仿真工具的并发操作特性
• 线程：fork...join | join_any | join_none
• wait fork
• disable fork

二、逻辑仿真工具的并发操作特性

2.1、并发性含义

• 对于所有的并发线程，在仿真工具的当前仿真时间内，安排好的事件在仿真步进到下一个仿真时间之前都会执行完成

2.2、并发线程执行

• 当一个线程执行时，只有遇到wait语句才会停止
  • 有正在执行的线程产生的子线程按照队列排序执行
• 当正在执行的线程遇到等待语句时，在队列中的ready状态的线程可以执行
• 当所有的线程进入wait状态时，仿真时间更新
• 等待语句的例子：

@(router.cb);

wait(var_a == 1);

##1 router.cb.din <= 4’hf;

join_any;

join

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9

2.3、并发线程执行模式

• 当一个线程执行时，其他所有的线程进入队列等待

  • READY - 表示在当前仿真时间内执行的线程
  • WAIT - 表示语句被阻塞（线程不能执行），当遇到等待条件后可以继续执行

• 当正在执行的线程进入WAIT状态时，线程进入到WAIT序列，下一个READY状态的线程继续执行

• 当所有的线程进入到WAIT状态时，仿真时间步进到下一个仿真周期

三、并发线程 thread

3.1、语句集合

• Veilog 有典型的并发语句集合

  • initial 语句：在整个仿真时间内只执行一次，initial 语句之间都是并发的
  • always 语句：可以对组合电路和时序电路进行建模，always语句之间都是并发的
  • assign 语句：可以对组合电路进行建模，assign 语句之间都是并发的
  • begin...end ：语句从上到下，顺序执行
  • fork...join：语句并行执行，与语句顺序无关

• fork...join

  • fork...join 语句块可以创建并行执行的进程；两个fork...join在initial中begin..end之间，两个fork...join是串行的关系，如果两个fork...join两个外围又是fork...join，那么两个fork...join是并行的。

3.2、fork-join创建并发线程

• 使用fork-join语句创建并发线程

int a, b, c;
fork
	statement0; //线程1
	begin //线程2 
		statement1;//线程2.1
		statement2;//线程2.2
	end
join | join_any | join_none
statement	

 
  

 
  

   
1
   
2
   
3
   
4
   
5
   
6
   
7
   
8
   
9
  

• fork-join中的线程1和线程2是并行执行的
• fork-join语句中的封装在begin-end中的语句会形成单一的子线程（线程2.1和线程2.2），并按照语句的顺序，从上往下顺序执行
• 并发线程没有固定的先后执行顺序
• 所有子线程共享父线程的变量

3.3、join 选项

注：这里父线程指的是for...join语句块之外下面的线程

• fork...join（与的关系）
  • 当所有的子线程执行完成后，父线程才会继续执行
  • 在fork...join语句块中，可以使用begin...end语句块封装一个独立的线程，该线程中的所有语句是顺序执行的

• fork...join_any（或的关系）
  • 当fork...join_any语句块中的任何一个子线程完成之后，父线程继续执行

• fork...join_noe
  • 父线程与for语句块中的子线程是并行执行的
  • 当父线程执行一个阻塞语句后，子线程才开始执行（父线程先执行）

• fork...join 和 begin...end例子

• fork...join_any 和 begin...end例子

• fork...join_none 和 begin...end例子

Q：上面的这些语句前都有标注时间单位，那如果一些语句前面没有时间单位，fork语句如何执行呢？

• A：没有时间单位，这些语句的先后执行顺序在编译阶段就可以确定，编译阶段确定之后在实际运行时就是顺序执行。【实际工程肯定是有时间单位的！】

3.4、并发线程控制

• wait fork
  • 等待所有的fork并发进程执行完毕
  • 在执行父线程之前，确保所有的fork并发子线程执行完成
  • 等待所有的fork并发子线程全部执行完成

• 如果没有wait fork，exec5();需要等到fork...join_any中任何一个执行完毕后后执行，而fork...join_none需要等到exec5()执行完毕后才去执行。

• disable fork

  • 停止掉所有并发子线程的执行

3.5、测试题

• A: 2个；B：2个；C：1个；D：1个

• 不能正常仿真：线程1时钟在仿真0时刻行为，线程2是在5个时间单位后，把a变成5，线程是不会仿真到第5个时间单位！

• a = 4；b = 8；
• 虽然打印结果来看是并行，但是仿真器还做不到完全并行，下面的还是可以用上面的数值的！（有微小的δ时间差）

• a = 7; b = 4;

• 一般我们在工程上不会在for循环里使用fork...join
  
• 这个错误了解即可！

X、实践练习

X.1、fork...join/join_any/join_none Demo

module thread();
initial begin
  fork
    // Thread 1
    begin
      #6;
      $display("******@%0t, fork join sub thread 1 begin", $time);
    end
    // Thread 2
    begin
      #5;
      $display("******@%0t, fork join sub thread 2 begin", $time);
    end
  join
  $display("******@%0t, fork join father thread begin", $time);
  #20;
  fork
    // Thread 1
    begin
      #6;
      $display("******@%0t, fork join_any sub thread 1 begin", $time);
    end
    // Thread 2
    begin
      #5;
      $display("******@%0t, fork join_any sub thread 2 begin", $time);
    end
  join_any
  $display("******@%0t, fork join_any father thread begin", $time);
  #20;
  fork
    // Thread 1
    begin
      #6;
      $display("******@%0t, fork join_none sub thread 1 begin", $time);
    end
    // Thread 2
    begin
      #5;
      $display("******@%0t, fork join_none sub thread 2 begin", $time);
    end
  join_none
  $display("******@%0t, fork join_none father thread begin", $time);
end
endmodule 
******@5000, fork join sub thread 2 begin
******@6000, fork join sub thread 1 begin
******@6000, fork join father thread begin
******@31000, fork join_any sub thread 2 begin
******@31000, fork join_any father thread begin
******@32000, fork join_any sub thread 1 begin
******@51000, fork join_none father thread begin
******@56000, fork join_none sub thread 2 begin
******@57000, fork join_none sub thread 1 begin