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【数字IC验证快速入门】19、SystemVerilog学习之基本语法6（线程内部通信...内含实践练习）

2022-07-07 13:22:00 【luoganttcc】

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

事件 event
- 线程之间执行先后时间顺序的控制
旗语（信号量）
- 线程之间共享区域的管理
邮箱：mailbox
- 线程之间数据传输使用

在这里插入图片描述

注：三种机制应用场景不一样，不能相互替代。

二、内部线程通信机制：Verilog event

2.1、Verilog event

Verilog 语言中使用event同步线程
触发事件的操作符：->
- 不会阻塞线程的执行
等待事件被触发：@
- 边沿敏感，总会阻塞线程执行
- 只有当事件发生变化时，线程才会继续执行
当阻塞线程之前发生触发线程时，可能引起竞争现象
- 触发晚于等待

2.2、SystemVerilog event

同步线程
event 是一个同步对象的句柄，可以党组作参数传递给子程序
- 不需要声明为全局变量，就可以将event作为共享资源使用
触发一个事件的操作符：-> 和 ->>
- ->>触发需要时钟的边沿完成
等待一个事件被触发的操作符：@ 和 wait()
- @是等待一个边沿；wait是等待一个状态；
- @等待一个边沿容易产生永远等不到触发的情况，SV做了改进，引入了triggered.
triggered 函数用于检查一个事件是否被触发过，返回值是一个状态
wait(event_variable.triggered)
- 如果在当前的仿真时间范围内，事件曾经被触发过，语句不会被阻塞
- 否则，wait(event.triggered)语句会一直等待被触发
- 所以，它是最安全最保险的等待语句

2.3、事件 event ：语句阻塞在事件的边沿

Verilog 语言中使用event同步线程，事件持续时间是整个事件触发的那个时间点。
触发事件的操作符：->（不会阻塞线程的执行）
等待事件被触发：@（边沿触发）

在这里插入图片描述

initial 在软件上来看是并行的，但是实际运行也是有时间差的，所以第一个initial会先执行，第二个initial会后执行，不过是两个相差时间特别短！
故，e1在第一个initial中先被触发，在第二个initial中再等待触发，显然e1等待不到；e2在第一个initial中先等待，在第二个initial中再被触发，所以e2可以被触发。

2.4、事件event：等待一个事件触发

event 是边沿敏感
wait(event_variable.triggered) 是电平敏感
- 与触发的时间没有先后

2.5、事件中的循环

在两个线程之间通过事件同步时必须注意
- 如果在循环中使用wait(evnet.triggered)，必须保证在等待下一个循环之前更新仿真时间
- 否则，代码将进入0延迟的循环，将一次又一次的在单一事件触发时进行等待

在这里插入图片描述

一定要小心零延时循环，建议不要用wait(event_variable.triggered)这种用法，它不会阻塞线程；建议还是用@ event_variable，它会阻塞线程。

2.6、event 可以用作参数

在这里插入图片描述

program 里面的变量默认是静态的，加了automatic之后就不是静态的了。
this.done是类里面实例化对象的done

2.7、内部线程通信机制：event

阻塞事件触发（立即生效）
- 使用->操作符
- 触发一个事件不会阻塞当前等待该事件的所有进程
- 触发事件的行为边沿敏感信号
非阻塞事件触发（等待到非阻塞触发区间，如上升沿）
- 使用->>操作符
- 在事件发生的时间点创建一个非阻塞赋值
- 在仿真时间的非阻塞区（如上升沿）更新事件
等待一个事件（SV & Verilog 都有的）
- @event_name
- @操作符将会阻止进程执行，直到事件被阻塞
- 触发进程执行触发行为之前，等待进程必须执行@语句，触发行为不会阻止进程等待事件
  - 如果先发生了触发行为，那么等待进程将继续等待
持久触发：triggered（SV独有）
- 在当前的仿真时间区间内，一个事件被触发过，那么triggered事件属性为真，否则为假。
- wait(event_name.triggered)
举例：

在这里插入图片描述

注： event done_too = done;：称为事件的合并（双向）。操作done就相当于操作done_too，同理操作done_too也相当于操作done;

事件序列：wait_order()
- 当指定的一系列事件按照从左到右的顺序发生时，wait_order进程开始执行
- 如果指定的一系列事件是乱序执行的，wait_order进程将不会执行

event a, b, c;

wait_order(a, b, c); // 必须按照 a->b->c 的顺序

事件变量：合并变量
- event 是一个独立的数据类型，可以进行赋值
- 当把一个事件赋值给另一个事件时，原事件与目的事件共享原事件
- 当把一个事件赋值给另一个事件时，两个事件合并为一个事件

在这里插入图片描述

事件变量
- 当事件合并时，赋值操作仅仅会影响目的事件的执行或等待操作
- 当把event赋值给event1时，如果一个线程正在等待event1，那么当前的等待线程将被阻塞，无法执行。

在这里插入图片描述

由于E2 = E1导致T1这个线程长期阻塞无法执行。
解决办法：在fork外面先赋值，再去等待E2的触发，如下图：

在这里插入图片描述

注：while这里没有时间更新，所以是有问题，跑仿真会一直block

取消事件
- 当一个事件赋值为null时，与该时间变量同步的进程无效

在这里插入图片描述

比较事件
- 不同的事件可以进行比较
  - 等于 ==
  - 不等于 !=
  - 全等于 ===（和等于==并无区别）
  - 不全等于 !==
  - 如果一个事件为null，其他事件位1，那布尔表达式为0

在这里插入图片描述

三、内部线程通信机制：semaphore

3.1、旗语（信号量） semaphore

Semaphore 通常用于对共享资源的分配和同步
共享资源在不同进程中是互斥使用
在内存中创建semaphore时，类似于创建一个篮子（bucket），篮子中包含一定数量的钥匙（keys）
进程在执行之前必须从篮子中获取一个钥匙
当一个特定的进程需要钥匙时，只有一定数量的进程在同时运行
Semaphore 是SV内建的类，提供以下方法（function / task）
- 创建 semaphore：new(keys_numbers)
- 获取一个或多个钥匙：get()
- 返还一个或多个钥匙：put()
- 非阻塞性的获取一个或多个钥匙：try_get()
在验证平台中，常常使用semaphore对共享资源进行分配，比如系统总线，在同一个时间点，只能由一个驱动器使用总线

在这里插入图片描述

注意：上述函数，如果不写参数，它是具有默认参数的！

3.2、使用`new`函数，创建`semaphore buckets`

在这里插入图片描述

注意：sem_a = new[4];仅仅是声明了数组，每个信号量还没有指明钥匙数量，所以是无法put的！
类创建（new）实体用的是小括号：sem = new(2);；数组创建（new）实体用的是方括号：sem_a = new[4];

3.3、信号量获取与释放以及`try_get`与`get`释义

在这里插入图片描述

try_get取不到就返回0；get 取不到就一直等

四、内部线程通信机制：mailbox

4.1、邮箱 mailbox

Mailbox 是SV不同进程间的通信方式，通过mailbox可以在不同进程之间传递信息
将一个进程中的数据，通过mailbox传递给另外一个进程；当mailbox中没有数据时，线程将等待
mailbox类似于一个FIFO，可以设置一定的深度 queue size
- 当邮箱中的信息数量达到邮箱深度时，邮箱为满
- 如果邮箱已经为满，进程就不能再往邮箱中存放信息，直到邮箱中的信息被取走，邮箱不再为满
邮箱是SV内建的类，提供以下方法
- 创建邮箱：new()
- 将信息放入邮箱：put()
- 非阻塞性将信息试着放入邮箱：try_put()
- 从邮箱中取出信息：get() 或 peek()
- 非阻塞性从邮箱中取出信息：try_get() 或 try_peek()

在这里插入图片描述

4.2、使用new新建邮箱

在这里插入图片描述

4.3、验证平台中的邮箱

如何在两个线程之间传递信息？
- 生成器（generator）生成事务数据包，然后传递给驱动器（driver）
  - driver将数据包传递给DUT，driver也要做一些跟时序相关的工作！
- 生成器和驱动器必须是异步操作（邮箱是个异步FIFO）
  - 同步操作还得握手，异步操作的发和取是没有约束关系的

program mailbox_example(bus_if.TB bus, ...);
class Generator
	Transaction tr; //类里面嵌套类，tr 是句柄
	mailbox mbx; //***** 定义邮箱
	function new(mailbox mbx); // 这个new是generator去做初始化的new函数，在外面初始化函数的时候会去创建一个邮箱，也就是在new的时候会创建邮箱，然后mbx传给this.mbx. 注意里面的参数是形式参数，跟上面的mbx可以不一样
		this.mbx = mbx;
	endfunction
	task run; // 作用是产生随机的激励，然后把随机的激励放到邮箱里面去，class Driver中会去get这个激励
		repeat(10) begin
			tr = new;
			assert(tr.randomize); //为所有的变量进行随机化赋值
			mbx.put(tr); //***** tr放入邮箱
		end
	entask
endclass

 
  
 
  
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class Driver
	Transaction tr;
	mailbox mbx; //***** 定义邮箱
	function new(mailbox mbx);
		this.mbx = mbx; 
	endfunction
	task run;
		repeat(10) begin
			mbx.get(tr); //***** 获取邮箱中的tr
			@(posedge busif.cb.ack)
			... //实际的物理时序
		end
	endtask
endclass

 
  
 
  
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这两个类仅仅是定义好了Generator和Driver，相当于图纸，要想使用起来，还需要代码讲其实例化，代码如下：

mailbox mbx; //***** 在同一个mbx里面传递数据
Generator gen;
Driver drv;
initial begin
	mbx = new; //***** 创建深度无限大的邮箱
	gen = new(mbx); //***** 创建两个对象，也就是实例化，在创建对象的时候把mbx传递进来
	drv = new(mbx); //*****
end
fork
	gen.run(); // 产生随机激励
	drv.run();
join
endprogram

 
  
 
  
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Generator 产生的消息通常定义为Transaction

小结：比如generator要向driver发送数据，首先会在gen里面创建一个邮箱，然后put放入数据，再在driver里面创建一个邮箱，通过get来获取数据。最后需要在env里面进行实例化，将两个邮箱连接起来。

4.4、验证平台中非同步线程之间的通信

如果生成器和驱动器之间需要同步，则需要添加额外的握手信息

在这里插入图片描述

4.5、验证平台中同步线程之间的通信

如果生成器和驱动器之间需要同步，则需要添加额外的握手消息

在这里插入图片描述

4.6、验证平台中的线程和内部通信

在这里插入图片描述

很多组件，组件之间的通信就是通过邮箱

在这里插入图片描述

环境ENV，初次了解邮箱使用

在这里插入图片描述

下面这个也不用太关注，不是实际完整的代码，意义不大，仅仅了解邮箱本节！

在这里插入图片描述

x、实践练习

X.1、event 练习

x.1.1、线程等待`@`和触发`->`demo

thread_communication.sv

module thread_com();
  event e1, e2;
  initial begin
    fork 
      begin
        $display("******@%0d, event1 before trigger", $time);
        ->e1;
        @e2;
        $display("******@%0d, event1 after trigger", $time);
      end
      begin
        $display("******@%0d, event2 before trigger", $time);
        ->e2;
        @e1;
        $display("******@%0d, event2 after trigger", $time);
      end
    join
  end 
endmodule

******@0, event1 before trigger
******@0, event2 before trigger
******@0, event1 after trigger


 
  
   并发线程的并发行为是仿真工具的行为，在零时刻同时发生，但是实际上在指令执行的时候，还是先执行的上面的那一个线程，两者有微小的δ时间差
   上述代码中的e1由于是先触发再等待，所以是等不到的！
   
x.1.2、线程等待wait(event_name.triggered)和触发->demo 
thread_communication.sv 
module thread_com();
  event e1, e2;
  initial begin
    fork 
      begin
        $display("******@%0d, event1 before trigger", $time);
        ->e1;
        //@e2;
        wait(e2.triggered)
        $display("******@%0d, event1 after trigger", $time);
      end
      begin
        $display("******@%0d, event2 before trigger", $time);
        ->e2;
        //@e1;
        wait(e2.triggered)
        $display("******@%0d, event2 after trigger", $time);
      end
    join
  end 
endmodule 

******@0, event1 before trigger
******@0, event2 before trigger
******@0, event2 after trigger
******@0, event1 after trigger


   
    
     wait(event_name.triggered)等待，只要之前触发过就可以！
     
x.1.3、event作为参数传递demo 
thread_communication.sv 
  class trigger_gen;
    event done;
    function new(input event ext_done);
      this.done = ext_done;
    endfunction
    task run();
      #10;
      $display("******@%0d:trigger done by -> done", $time);
      ->done;
    endtask
  endclass
  //Parameter event
  event ext_done;
  trigger_gen trg_gen;
  initial begin
    #5;
    fork
      begin
        trg_gen = new(ext_done);
        trg_gen.run;
      end
      begin
        $display("******@%0d:wait for ext_done trg_gen", $time);
        @(ext_done);
        $display("******@%0d:after ext_done trigger_gen by gen.run", $time);
      end
    join
  end 

******@5:wait for ext_done trg_gen
******@15:trigger done by -> done
******@15:after ext_done trigger_gen by gen.run


     
      
       同时，这里也注意体会双向赋值（事件的合并）
       
X.2、semaphore 练习 
thread_communication.sv 
  //Semaphore 
  semaphore sem[];
 task send(input int sem_num, thread_num);
    sem[sem_num].get(1);
    $display("******@%0d:thread(%0d) get the key", $time, thread_num);
    sem[sem_num].put(1);
 endtask 
 initial begin
  #50;
  sem = new[4];
  foreach(sem[i])
    sem[i] = new(1);
  repeat(3) begin
    fork
      send(0, 0);
      send(0, 1);
    join
    #1;
  end
 end 

rslt.log 
******@50:thread(0) get the key
******@50:thread(1) get the key
******@51:thread(0) get the key
******@51:thread(1) get the key
******@52:thread(0) get the key
******@52:thread(1) get the key


       
        
         如果相加延时，但是不可以直接放到send中的，应该在fork...join外面
         
X.3、mailbox 练习 
X.3.1、基本整型传递（邮箱异步）Demo 
thread_communication.sv 
  mailbox mb;
  int mb_in;
  int mb_out;
  initial begin
    #80;
    mb = new(20);
    fork
      for(int i; i<8; i++) begin
        #1;
        mb_in = 2*i+1;
        $display("******@%0d, mb in(%0d) : %0d", $time, i, mb_in);
        mb.put(mb_in);
      end
      for(int i; i<8; i++) begin
        #2;
        mb.get(mb_out);
        $display("******@%0d, mb out(%0d) : %0d", $time, i, mb_out);
      end
    join
  end 

rslt.log 
******@81, mb in(0) : 1
******@82, mb out(0) : 1
******@82, mb in(1) : 3
******@83, mb in(2) : 5
******@84, mb out(1) : 3
******@84, mb in(3) : 7
******@85, mb in(4) : 9
******@86, mb out(2) : 5
******@86, mb in(5) : 11
******@87, mb in(6) : 13
******@88, mb out(3) : 7
******@88, mb in(7) : 15
******@90, mb out(4) : 9
******@92, mb out(5) : 11
******@94, mb out(6) : 13
******@96, mb out(7) : 15

X.3.2、基本整型传递（邮箱同步）Demo 
thread_communication.sv 
  mailbox mb;
  int mb_in;
  int mb_out;
  event mb_e;
  initial begin
    #80;
    mb = new(20);
    fork
      for(int i; i<8; i++) begin
        #1;
        mb_in = 2*i+1;
        $display("******@%0d, mb in(%0d) : %0d", $time, i, mb_in);
        mb.put(mb_in);
        @mb_e;
      end
      for(int i; i<8; i++) begin
        #2;
        mb.get(mb_out);
        $display("******@%0d, mb out(%0d) : %0d", $time, i, mb_out);
        ->mb_e;
      end
    join
  end 

******@81, mb in(0) : 1
******@82, mb out(0) : 1
******@83, mb in(1) : 3
******@84, mb out(1) : 3
******@85, mb in(2) : 5
******@86, mb out(2) : 5
******@87, mb in(3) : 7
******@88, mb out(3) : 7
******@89, mb in(4) : 9
******@90, mb out(4) : 9
******@91, mb in(5) : 11
******@92, mb out(5) : 11
******@93, mb in(6) : 13
******@94, mb out(6) : 13
******@95, mb in(7) : 15
******@96, mb out(7) : 15

X.3.3、传递 class 数据 
thread_communication.sv 
  class transaction;
    rand bit [15:0] addr;
    rand bit [31:0] data;
    constraint c1{
               
      addr inside {
               [0:100], [1000:2000]};
      data inside {
               32'h5a5a_5a5a, 32'ha5a5a5, 32'hFFFF_FFFF};
    }
  endclass
  class generator;
    transaction tr;
    mailbox mbx;
    int i=0;
    function new(input mailbox mb);
      this.mbx = mb;
    endfunction
    task run();
      repeat(10) begin
        tr = new();
        tr.randomize();
        $display("******@%0d:generator %0d th (addr=%h, data=%h)", $time, i, tr.addr, tr.data);
        mbx.put(tr);
        i++;
      end
    endtask
  endclass
  class driver;
    transaction tr;
    mailbox mbx;
    int i=0;  
    function new(input mailbox mb);
      this.mbx = mb;
    endfunction
    task run();
      repeat(10) begin
        mbx.get(tr);
        $display("******@%0d:driver %0d th (addr=%h, data=%h)", $time, i, tr.addr, tr.data);
        i++;
      end
    endtask
  endclass
  mailbox mb1 = new(20);
  generator gen = new(mb1);
  driver drv = new(mb1);
  initial begin
    #100;
    fork
      gen.run();
      drv.run();
    join
  end 


rslt.log 
******@100:generator 0 th (addr=047f, data=ffffffff)
******@100:generator 1 th (addr=04b9, data=5a5a5a5a)
******@100:generator 2 th (addr=06e0, data=00a5a5a5)
******@100:generator 3 th (addr=0489, data=5a5a5a5a)
******@100:generator 4 th (addr=005e, data=5a5a5a5a)
******@100:generator 5 th (addr=0567, data=5a5a5a5a)
******@100:generator 6 th (addr=05ca, data=ffffffff)
******@100:generator 7 th (addr=040d, data=ffffffff)
******@100:generator 8 th (addr=0490, data=ffffffff)
******@100:generator 9 th (addr=05fe, data=00a5a5a5)
******@100:driver 0 th (addr=047f, data=ffffffff)
******@100:driver 1 th (addr=04b9, data=5a5a5a5a)
******@100:driver 2 th (addr=06e0, data=00a5a5a5)
******@100:driver 3 th (addr=0489, data=5a5a5a5a)
******@100:driver 4 th (addr=005e, data=5a5a5a5a)
******@100:driver 5 th (addr=0567, data=5a5a5a5a)
******@100:driver 6 th (addr=05ca, data=ffffffff)
******@100:driver 7 th (addr=040d, data=ffffffff)
******@100:driver 8 th (addr=0490, data=ffffffff)
******@100:driver 9 th (addr=05fe, data=00a5a5a5)


             
              
               32'ha5a5a5 即 32'h00a5_a5a5
               class driver中的tr并没有new，这里我们就要再来深入理解一下new的功效了；tr = new;的方式实际上是系统随机产生的一个地址（内存空间实体）赋给了tr，这里尽管没有使用new但是我们使用了邮箱的get表示从外部获取地址（内存空间实体）！

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【数字IC验证快速入门】19、SystemVerilog学习之基本语法6（线程内部通信...内含实践练习）

文章目录

一、内容概述

二、内部线程通信机制：Verilog event

2.1、Verilog event

2.2、SystemVerilog event

2.3、事件 event ：语句阻塞在事件的边沿

2.4、事件event：等待一个事件触发

2.5、事件中的循环

2.6、event 可以用作参数

2.7、内部线程通信机制：event

三、内部线程通信机制：semaphore

3.1、旗语（信号量） semaphore

3.2、使用`new`函数，创建`semaphore buckets`

3.3、信号量获取与释放以及`try_get`与`get`释义

四、内部线程通信机制：mailbox

4.1、邮箱 mailbox

4.2、使用new新建邮箱

4.3、验证平台中的邮箱

4.4、验证平台中非同步线程之间的通信

4.5、验证平台中同步线程之间的通信

4.6、验证平台中的线程和内部通信

x、实践练习

X.1、event 练习

x.1.1、线程等待`@`和触发`->`demo

x.1.2、线程等待`wait(event_name.triggered)`和触发`->`demo

x.1.3、`event`作为参数传递demo

X.2、semaphore 练习

X.3、mailbox 练习

X.3.1、基本整型传递（邮箱异步）Demo

X.3.2、基本整型传递（邮箱同步）Demo

X.3.3、传递 class 数据

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【数字IC验证快速入门】19、SystemVerilog学习之基本语法6（线程内部通信...内含实践练习）

文章目录

一、内容概述

二、内部线程通信机制：Verilog event

2.1、Verilog event

2.2、SystemVerilog event

2.3、事件 event ：语句阻塞在事件的边沿

2.4、事件event：等待一个事件触发

2.5、事件中的循环

2.6、event 可以用作参数

2.7、内部线程通信机制：event

三、内部线程通信机制：semaphore

3.1、旗语（信号量） semaphore

3.2、使用new函数，创建semaphore buckets

3.3、信号量获取与释放以及try_get与get释义

四、内部线程通信机制：mailbox

4.1、邮箱 mailbox

4.2、使用new新建邮箱

4.3、验证平台中的邮箱

4.4、验证平台中非同步线程之间的通信

4.5、验证平台中同步线程之间的通信

4.6、验证平台中的线程和内部通信

x、实践练习

X.1、event 练习

x.1.1、线程等待@和触发->demo

x.1.2、线程等待wait(event_name.triggered)和触发->demo

x.1.3、event作为参数传递demo

X.2、semaphore 练习

X.3、mailbox 练习

X.3.1、基本整型传递（邮箱异步）Demo

X.3.2、基本整型传递（邮箱同步）Demo

X.3.3、传递 class 数据

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