SystemVerilog Assertion精华知识

前言

断言主要用于验证设计的行为。断言也可用于提供功能覆盖率，并标记用于验证的输入激励不符合假定的需求。

在验证平台中，通常进行三个主要任务：

• 产生激励
• 功能检查
• 功能覆盖率度量

在当今的设计越来越复杂情况下，像波形调试这样的方式很容易出现人为错误，因此验证平台应该有一种自动和动态地检查预期结果的方式，这将使调试过程更容易，也使回归测试更有效。功能检查通常针对两个特定领域：

• 协议检查：检查目标是控制信号，控制信号的有效性是任何设计验证的核心；
• 数据检查：检查目标是所处理数据的完整性，比如网络传输的数据包是否有损坏；

SystemVerilog中引入的SVA在协议检查和协议覆盖率方面可以发挥重要的作用，它们更接近设计信号，通过将这些断言直接连接到设计，一方面便于管理，另一方面仿真性能可以得到极大的提高。SVA语言本身非常简洁，且提供了很好的时序控制能力。

那么什么是断言(SVA, SystemVerilog Assertion)呢？我们可以找到对它的经典解释。断言是对设计属性的描述：

• 如果在仿真中检查的属性没有按照我们期望的方式运行，则断言失败；
• 如果在仿真中出现了在设计中禁止发生的行为属性，则断言失败；

其实简单来说，就是该发生的一定要发生，不应该发生的就决不能发生，否则断言就失败了，进而产生报错信息。

设计属性通常可以从设计的功能规范中提取，并转换为断言。这些断言一方面可以用于功能仿真期间持续监控设计行为，另一方面也可以通过使用Formal技术来验证设计。

SVA调度

SystemVerilog语言是基于事件(events)的执行模型。在每个time slot内，把所有发生的事件按顺序排序处理。关于SV events的调度，可以看下我之前写的一篇文章《详解SystemVerilog中time slot的调度》。通过遵循SV的调度算法，仿真器可以避免设计和验证平台交互过程的错乱，而且也让开发人员有迹可循，写出稳定的代码。断言的采样、评估和执行涉及time slot里的三个regions(区域)。

• Preponed：该区域对断言变量进行采样。在这个区域内，net和variable不会改变其状态，这就允许在time slot的开始处采样到最稳定的值。
• Observed：所有属性表达式(property expressions)都在该区域中求值。
• Reactive：评估属性(property)的成功或失败在这个区域进行。

SystemVerilog事件调度流程图简化如图1所示。

图1 简化的SV事件调度流程图

SVA分类

SystemVerilog语言中定义了两种类型的断言：Concurrent assertions(并发断言)和Immediate assertions(立即断言)。并发断言和立即断言的关键区别是property关键字。

并发断言有这几个特性：

• 基于时钟周期；
• 基于所涉及变量在时钟边沿的采样值进行表达式求值；
• 变量的采样是在Preponed region中完成，表达式的求值是在Observed region中完成；
• 可以放在procedural block, module, interface, program, general block或checker定义中；
• 可以在formal和simulation工具中使用；
• 并发断言语句可以是assert, assume, cover或restrict
• 可以通过其可选名称来层次引用，当未提供名称时，工具会为其自动生成；

它的定义为：

concurrent_assertion_item ::=[ block_identifier : ] concurrent_assertion_statement...
procedural_assertion_statement ::=concurrent_assertion_statement...
concurrent_assertion_statement ::=assert_property_statement| assume_property_statement| cover_property_statement| cover_sequence_statement| restrict_property_statement
assert_property_statement::=assert property ( property_spec ) action_block
assume_property_statement::=assume property ( property_spec ) action_block
cover_property_statement::=cover property ( property_spec ) statement_or_null
cover_sequence_statement::=cover sequence ( [clocking_event ] [ disable iff ( expression_or_dist ) ] sequence_expr ) statement_or_null
restrict_property_statement::=restrict property ( property_spec ) ;

图2 并发断言定义

立即断言有这几个特性：

• 基于simulation events语义；
• 表达式的求值与procedural block中的任何其它Verilog表达式一样，本质上是立即求值的；
• 必须放在procedural block定义中；
• 仅用于simulation工具中使用；
• 立即断言语句可以是assert, assume或cover；

它的定义为：

procedural_assertion_statement ::=...| immediate_assertion_statement...
immediate_assertion_statement ::=simple_immediate_assertion_statement| deferred_immediate_assertion_statement
simple_immediate_assertion_statement ::=simple_immediate_assert_statement| simple_immediate_assume_statement| simple_immediate_cover_statement
simple_immediate_assert_statement ::=assert ( expression ) action_block
simple_immediate_assume_statement ::=assume ( expression ) action_block
simple_immediate_cover_statement ::=cover ( expression ) statement_or_null
deferred_immediate_assertion_item ::= [ block_identifier : ] deferred_immediate_assertion_statement
deferred_immediate_assertion_statement ::=deferred_immediate_assert_statement| deferred_immediate_assume_statement| deferred_immediate_cover_statement
deferred_immediate_assert_statement ::=assert #0 ( expression ) action_block| assert final ( expression ) action_block
deferred_immediate_assume_statement ::=assume #0 ( expression ) action_block| assume final ( expression ) action_block
deferred_immediate_cover_statement ::=cover #0 ( expression ) statement_or_null| cover final ( expression ) statement_or_null
action_block ::=statement _or_null| [ statement ] else statement_or_null

图3 立即断言定义

断言的声明关键字有以下类型：(属性大家可以把它理解成一种设计行为)

• assert: 这个关键字是大家最常见的，它指定属性为要检查的设计行为，并验证该属性是否成立；
• assume: 指定属性作为环境的假设。Formal工具使用该信息生成输入激励，仿真器检查属性是否成立；
• cover: 收集属性是否被覆盖到；
• restrict: 指定属性作为formal验证计算的约束，仿真器不需要检查该属性；（可以看出这个关键字是不用于立即断言的）

构建SVA模块

立即断言的构建比较简单，直接写上assert/assume/cover + statement就好了。这一小节主要是讲并发断言的构建，它有很多种构建方式，这里列下比较常用的方式。

在任何设计模型中，功能都由多个逻辑事件的组合表示。这些事件可以是在同一时钟边沿计算的简单布尔表达式，也可以是涉及多个时钟周期的一段时间内计算的事件。SVA提供了一个关键字来表达这些事件，称为“sequence”。sequence的基本语法如下所示：

sequence name_of_sequence;< test_ expression > ;
endsequence

图4 sequence的基本语法

许多sequences可以按逻辑或顺序组合以创建更复杂的sequences。SVA提供了一个关键字来表示这些复杂的顺序行为，称为“property”。property的基本语法如下所示：

property name_of_property;< test expression >; or< complex sequence expressions >;
endproperty

图5 property的基本语法

property是在仿真期间生效并进行验证的，SVA提供了一个“assert”的关键字来检查property。assert的基本语法如下所示：

assertion_name : assert property ( property_name ) ;

图6 assert的基本语法

因此，创建并发SVA断言所涉及的通用步骤如下图7所示。

图7 创建并发SVA断言通用步骤

例子

5.1 立即断言例子

下面代码为立即断言的一个简单例子：

always_comb beginia_blk: assert(a && b);
end

立即断言ia_blk是作为procedural块的一部分写入的，它遵循信号“a”和“b”的相同事件调度，也就是如果信号“a”和“b”发生变化，那么always_comb块就执行。ia_blk的仿真结果如图8所示。断言成功用向上蓝色箭头表示，断言失败用向下红色箭头表示。

图8 立即断言ia_blk仿真结果

5.2 并发断言例子

下面代码为并发断言的一个简单例子：

sequence s_ab;a && b;
endsequenceproperty p_ab;@(posedge clk) s_ab;
endpropertyca_blk: assert property (p_ab);

并发断言ca_blk的结果如图9所示。同样的，所有的成功用向上蓝色箭头表示，所有的失败用向下红色箭头表示。这个例子中的关键概念是，无论信号“a”和信号“b”是否改变，该属性都在时钟clk的每个上升沿上求值检查。

图9 立即断言ca_blk仿真结果

将立即断言和并发断言对a&&b的仿真检查结果放在一起，结果如图10所示。

图10 立即断言和并发断言对a&&b的仿查结果

从这个结果可以看出，立即断言procedural block中的任何其它Verilog表达式一样，都是当个cycle立即求值的。而并发断言有点像使用default input #1step的clocking block中的信号采样求值。

总结

本文主要是从大框架上梳理SVA的知识点，从为什么需要SVA，有什么好处，SVA分类，SVA调度和检查机制、以及举了两个简单直观的例子，帮忙读者们快速get到SVA的全貌。有了这个宏观了解，对于比较细节(微观)的语法，大家可以翻翻工具书看看，或者用到的时候再查找下。

往期精彩内容：

芯片验证分享系列总结及PPT分享