SystemVerilog学习 （10）——线程控制

一、概述

        在实际硬件中,时序逻辑通过时钟沿来激活,组合逻辑的输出则随着输人的变化而变化。所有这些并发的活动在Verilog 的寄存器传输级上是通过initial和 always块语句、实例化和连续赋值语句来模拟的。为了模拟和检验这些语句块,测试平台使用许多并发执行的线程。在测试平台的环境里,大多数语句块被模拟成事务处理器,并运行在各自的线程里。
        SystemVerilog 的调度器就像一个交通警察,总是不停地选择下一个要运行的线程。
        每个线程总是会跟相邻的线程通信。在下图中,发生器把激励传递给代理。环境类需要知道发生器什么时候完成任务,以便及时终止测试平台中还在运行的线程。这个过程需要借助线程间的通信(IPC)来完成。常见的线程间通信有标准的Verilog事件、事件控制、wait语句、SystemVerilog信箱和旗语等。

二、线程的使用

        虽然所有的线程结构都可以用在模块和程序块中,但实际上测试平台隶属于程序块。结果是,我们的代码总是以initial块启动,从时刻0开始执行。虽然 always 块不能被放在程序块中,但是,通过在initial块内引入forever循环便可轻松地解决这个问题。
        标准的 Verilog对语句有两种分组方式——使用begin...end或fork...join。begin. ..end中的语句以顺序方式执行,而fork...join中的语句则以并发方式执行。后者的不足是必须等fork...join内的所有语句都执行完后才能继续块内后续的处理。因此,在 Verilog的测试平台中很少用到它。
        SystemVerilog引人了两种新的创建线程的方法——使用fork...join_none 和fork...join_any语句,如图下图所示：

• fork...join需要所有并行的线程都结束以后才会继续执行
• fork...join_any则会等到任何一个线程结束以后就继续执行
• fork...join_none则不会等待其子线程而继续执行

三、进程间同步与通信

         测试平台中的所有线程都需要同步并交换数据。 一个线程等待另外一个，例如验证环境需要等待所有激励结束、比较结束才可以结束仿真。 比如监测器需要将监测到的数据发送至比较器，比较器又需要从不同的缓存获取数据进行比较。

1、事件event

        Verilog事件可以实现线程的同步。就像在打电话时一个人等待另一个人的呼叫,在Verilog中,一个线程总是要等待一个带@操作符的事件。这个操作符是边沿敏感的,所以它总是阻塞着,等待事件的变化。其他的线程可以通过->操作符来触发事件,解除对第一个线程的阻塞。

        System Verilog 从几个方面对 Verilog事件做了增强。事件现在成为了同步对象的句柄,可以传递给子程序。这个特点允许你在对象间共享事件,而不用把事件定义成全局的。最常见的方式是把事件传递到一个对象的构造器中。

        在Verilog中,当一个线程在一个事件上发生阻塞的同时,正好另一个线程触发了这个事件,则竞争的可能性便出现了。如果触发线程先于阻塞线程执行,则触发无效。SystemVerilog引A triggered ()函数,可用于查询某个事件是否已被触发,包括在当前时刻。线程可以等待这个函数的结果,而不用在@操作符上阻塞。

        可以通过event来声明一个命名event变量，并且去触发它，这个命名event可以用来控制进程的执行;可以通过->来触发事件，其它等待该事件的进程可以通过@操作符或者wait()来检查 event触发状态来完成。

event done, blast; // declare two new events 
event done_too = done; // done_too as alias to done 
task trigger( event ev ); -> ev; 
endtask 
... fork @ done_too; // wait for done through done_too #1 trigger( done ); // trigger done 
join fork -> blast; wait ( blast.triggered ); 
join

2、wait_order()

         wait_order可以使得进程保持等待，直到在参数列表中的事件event按照顺序从左到右依次完成。 如果参数列表中的事件被触发但是没有按照要求的顺序，那么会使得等待操作失败

3、旗语（semaphore）

         使用旗语可以实现对同一资源的访问控制。想象一下你和你爱人共享一辆汽车的情形。显然,每次只能有一个人可以开车。为应对这种情况﹐你们可以约定谁持有钥匙谁开车。当你用完车以后,你会让出车子以便对方使用。车钥匙就是旗语,它确保了只有一个人可以使用汽车。在操作系统的术语里,这就是大家所熟知的“互斥访问”,所以旗语可被视为一个互斥体,用于实现对同一资源的访问控制。

        当测试平台中存在一个资源,如一条总线,对应着多个请求方,而实际物理设计中又只允许单一驱动时,便可使用旗语。在SystemVerilog 中，一个线程如果请求“钥匙”而得不到,则会一直阻塞,多个阻塞的线程会以先进先出(FIFO)的方式进行排队。

        旗语从概念上讲，是一个容器, 在创建旗语的时候，会为其分配固定的钥匙数量, 使用旗语的进程必须先获得其钥匙，才可以继续执行。旗语的钥匙数量可以有多个，等待旗语钥匙的进程也可同时有多个，旗语通常用于互斥，对共享资源的访问控制，以及基本的同步。

• 创建旗语，并为其分配钥匙的方式如下： semaphore sm; sm = new();
• 创建一个具有固定钥匙数量的旗语：new（N = 0）
• 从旗语那里获取一个或多个钥匙（阻塞型）：get（N = 1）​​​​​​​
• 将一个或多个钥匙返回到旗语中：put（N = 1）
• 尝试获取一个或多个钥匙而不会阻塞（非阻塞型）：try_get（N = 1）

4、信箱（mailbox）

        如何在两个线程之间传递信息呢?考虑发生器需要创建很多事务并传递给驱动器的情况。你可能会认为仅仅使用发生器线程去调用驱动器中的任务便可以了。但如果这样做,发生器需要知道到达驱动器任务的层次化路径,这会降低代码的可重用性。此外,这种代码风格还会迫使发生器与驱动器以同一速率运行,在一个发生器需要控制多个驱动器的情况下会引发同步问题。

        解决的办法是使用SystemVerilog 中的信箱。从硬件角度出发,对信箱的最简单的理解是把它看成一个具有源端和收端的FIFO。源端把数据放进信箱，收端则从信箱中获取数据。信箱可以有容量上的限制,也可以没​​​​​​有。当源端线程试图向一个容量固定并且已经饱和的信箱里放入数值时,会发生阻塞直到信箱里的数据被移走。同样地,如果收端线程试图从一个空信箱里移走数据,它也会被阻塞直到有数据放入信箱里。下图展示了一个连接了发生器和驱动器的信箱。

• 创建信箱：new()
• 将信息写入信箱：put()
• 试着写入信箱但不会阻塞：try_put()
• 获取信息：get()同时会取出数据，peek()不会取出数据
• 试着从信箱取出数据但不会阻塞：try_get()/try_peek()
• 获取信箱信息的数目：num()

四、总结

        你的设计可以用很多并发运行的独立块来建模,所以测试平台也必须能够产生很多激励流并检验并发线程的反应。所有这些都被组织在一个层次化的测试平台中,并在顶层环境里得到统一。SystemVerilog在标准的fork...join 之外,引人了诸如fork...join_none和fork...join_any这些用于动态创建线程的功能强大的结构。线程间可以使用事件,旗语、信箱,以及经典的@事件控制和 wait语句来实现通信和同步。最后，disable命令可以用来中止线程。

        这些线程和相关的控制结构对OOP(面向对象编程)的动态特性形成了很好的补充。由于对象可以被创建和删除,所以它们可以运行在独立的线程里,这使得你能够构筑强大而灵活的测试平台环境。