SystemVerilog - 断言Assertion语法简单介绍

参考博文：http://blog.sina.com.cn/s/blog_4c270c730101f6mw.html

 断言assertion被放在verilog设计中，方便在仿真时查看异常情况。当异常出现时，断言会报警。一般在数字电路设计中都要加入断言，断言占整个设计的比例应不少于30%。以下是断言的语法：

1. SVA的插入位置：在一个.v文件中：

                module ABC ();

                   rtl 代码

                   SVA断言

                endmodule

 

   注意：不要将SVA写在enmodule外面。

 

2. 断言编写的一般格式是：

   【例】 断言名称1：assert property(事件1)       //没有分号

          $display("........",$time);             //有分号

          else

          $display("........",$time);             //有分号

 

          断言名称2：assert property(事件2)

          $display("........",$time);

          else

          $display("........",$time);

 

   断言的目的是：断定“事件1”和“事件2”会发生，如果发生了，就记录为pass，如果没发生，就记录为fail。注意：上例中没有if，只有else，断言本身就充当if的作用。

 

   上例中，事件1和事件2可以用两种方式来写：

   (1) 序列块： sequence name;

                      。。。。。。。。。; 

                endsequence

 

   (2) 属性块： property name;

                      。。。。。。。。。;

                endsequence

 

    从定义来讲，sequence块用于定义一个事件（砖），而property块用于将事件组织起来，形成更复杂的一个过程（楼）。sequence块的内容不能为空，你写乱字符都行，但不能什么都没有。sequence也可以包含另一个sequence, 如：

                    sequence s1;

                        s2(a,b);

                    endsequence  //s1和s2都是sequence块

 

    sequence块和property块都有name，使用assert调用时都是：“assert property(name);”

    在SVA中，sequence块一般用来定义组合逻辑断言，而property一般用来定义一个有时间观念的断言，它会常常调用sequence，一些时序操作如“|->”只能用于property就是这个原因。

     

   注：以下介绍的SVA语法，既可以写在sequence中，也可以写在property中，语法是通用的。

 

3. 带参数的property、带参数的sequence

   property也可以带参数，参数可以是事件或信号，调用时写成：assert property (p1(a,b))

   被主sequence调用的从sequence也能带参数，例如从sequence名字叫s2，主sequence名字叫s1:

          sequence s1;

             s2(a,b);

          endsequence

 

4. property内部可以定义局部变量，像正常的程序一样。

           property p1;

              int cnt;

              .....................

           endproperty

 

【注】在介绍语法之前，先强调写断言的一般格式：

    一般，断言是基于时序逻辑的，单纯进行组合逻辑的断言很少见，因为太费内存（时序逻辑是每个时钟周期判断一次，而组合逻辑却是每个时钟周期内判断多次，内存吃不消）。

    因此，写断言的一般规则是： time + event，要断定发生什么event，首先要指定发生event的时间，例如

每个时钟上升沿 + 发生某事

                某信号下降时 + 发生某事

 

5. 语法1：信号（或事件）间的“组合逻辑”关系：

   (1) 常见的有：&&, ||, !, ^

   (2) a和b哪个成立都行，但如果都成立，就认为是a成立：firstmatch(a||b)，与“||”基本相同，不同点是当a和b都成立时，认为a成立。

   (3) a ? b:c ———— a事件成功后，触发b，a不成功则触发c

 

6. 语法2：在“时序逻辑”中判断独立的一根信号的行为：

    @ (posedge clk) A事件; ———— 当clk上升沿时，如果发生A事件，断言将报警。

   边沿触发内置函数：(假设存在一个信号a)

     $rose( a );———— 信号上升

     $fell( a );———— 信号下降

     $stable( a );———— 信号值不变

 

7. 语法3：在“时序逻辑”中判断多个事件/信号的行为关系：

   (1) intersect(a,b)———— 断定a和b两个事件同时产生，且同时结束。

   (2) a within b    ———— 断定b事件发生的时间段里包含a事件发生的时间段。

   (3) a ##2 b       ———— 断定a事件发生后2个单位时间内b事件一定会发生。

       a ##[1:3] b   ———— 断定a事件发生后1~3个单位时间内b事件一定会发生。

       a ##[3:$] b   ———— 断定a事件发生后3个周期时间后b事件一定会发生。

   (4) c throughout (a ##2 b)    ———— 断定在a事件成立到b事件成立的过程中，c事件“一直”成立。

   (5) @ (posedge clk) a |-> b   ———— 断定clk上升沿后，a事件“开始发生”，同时，b事件发生。

   (6) @ (posedge clk) a.end |-> b ———— 断定clk上升沿后，a事件执行了一段时间“结束”后，同时，b事件发生。

   注："a |-> b" 在逻辑上是一个判断句式，即：

                    if a

                       b;

                    else

                       succeed;

 

   因此，一旦 a 发生，b 必须发生，断言才成功。如果a没发生，走else，同样成功。    

 

   (7) @ (posedge clk) a |=> b   ———— 断定clk上升沿后，a事件开始发生，下一个时钟沿后，b事件开始发生。      

   (8) @ (posedge clk) a |=>##2b ———— 断定clk上升沿后，a事件开始发生，下三个时钟沿后，b事件开始发生。

   (9) @ (posedge clk) $past(a,2) == 1'b1 ———— 断定a信号在2个时钟周期“以前”，其电平值是1。

   (10) @ (posedge clk) a [*3] ———— 断定“@ (posedge clk) a”在连续3个时钟周期内都成立。

        @ (posedge clk) a [*1:3] ———— 断定“@ (posedge clk) a”在连续1~3个时钟周期内都成立。

        @ (posedge clk) a [->3] ———— 断定“@ (posedge clk) a”在非连续的3个时钟周期内都成立。

    

   举一个复杂点的例子：

           property ABC;

              int tmp;

              @(posedge clk) ($rose(a),tmp = b) |-> ##4 (c == (tmp*tmp+1)) ##3 d[*3];

           endproperty 

   上例的一个property说明：当clk上升沿时，断言开始。首先断定信号a由低变高，将此时的信号b的值赋给变量tmp，4个时钟周期后，断定信号c的值是4个周期前b^2+1，再过3个周期，断定信号d一定会起来，再过3个周期，信号d又起来一次。。。。。。。只有这些断定都成功，该句断言成功。otherwise，信号a从一开始就没起来，则断言也成功。

 

8. 语法4：多时钟域联合断言：一句断言可以表示多个时钟域的信号关系，例如：

                @ （posedge clk1） a |-> ##1 @ (posedge clk2) b

   当clk1上升沿时，事件a发生，紧接着如果过来第二个时钟clk2的上升沿，则b发生。“##1”在跨时钟时不表示一个时钟周期，只表示等待最近的一个跨时钟事件。所以此处不能写成##2或其他。但是可以写成：

                @ （posedge clk1） a |=> @ (posedge clk2) b

 

9. 语法5：总线的断言函数

   总线就是好多根bit线，共同表示一个数。SVA提供了多bit状态一起判断的函数，即总线断言函数：

   (1) $onehot(BUS)      ————BUS中有且仅有1 bit是高，其他是低。

   (2) $onehot0(BUS)     ————BUS中有不超过1 bit是高，也允许全0。

   (3) $isunknown(BUS)   ————BUS中存在高阻态或未知态。

   (4) countones(BUS)==n ————BUS中有且仅有n bits是高，其他是低。

 

10. 语法6：屏蔽不定态

    当信号被断言时，如果信号是未复位的不定态，不管怎么断言，都会报告：“断言失败”，为了在不定态不报告问题，在断言时可以屏蔽。

    如： @(posedge clk) (q == $past(d))，当未复位时报错，屏蔽方法是将该句改写为：

         @(posedge clk) disable iff (!rst_n) (q == $past(d))  //rst是低电平有效

 

10. 语法6：断言覆盖率检测：

name: cover property (func_name)

 

11. 在modelsim中开启断言编译和显示功能：

    （1）【编译verilog代码时按照system verilog进行编译】  vlog -sv abc.v

    （2）【仿真命令加一个-assertdebug】   vsim -assertdebug -novopt testbench

    （3）【如果想看断言成功与否的分析，使用打开断言窗口的命令】 view assertions

 

12. 在VCS中加入断言编译和显示功能：

    在fsdb文件中加一句话：$fsdbDumpSVA

    在VCS编译参数：system "vcs $VCS_SIMULATION" 中加入一些options:

           -assert enable_diag\

           -assert vpiSeqBeginTime\

           -assert vpiSeqFail\

           -assert report=路径\

           -assert finish_maxfail=100

 

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【经验】以下是一些编写断言的经验：

1. 断言的目的：传统的验证方法是通过加激励，观察输出。这种方法对案例的依赖严重，案例设计不好，问题不便于暴露。而断言是伴随RTL代码的，不依赖测试案例，而是相对“静态”。例如：我们要测试一个串行数据读写单元，数据线只有一根，先传四位地址，再传数据。

（1）案例验证法：写一个地址，再写一段数据，然后读取该地址，看输出的是不是刚才写的数据。

（2）断言法：不需要专门设计地址和数据，当发起写时，在地址传输的时间里将地址存储到一个变量里，在数据传输的时间里将数据存储到一个变量里，观察RAM中该地址是否存在该数据就可以了。

    断言设计相当于在电脑上把RTL实现的功能再实现一遍。

 

2. 断言中可以包含function和task。而且function经常用于断言，因为有的处理很复杂，而断言又是“一句式”的，无法分成好几句进行表达，所以需要function替断言分担工作。

 

3. 断言允许规定同时发生的事件，就是组合逻辑，你可以写成：a && b，也可以写成 a ##0 b，不能写 ##0.5，不支持小数。

 

4. 断言是用电脑模仿RTL的运行过程，当RTL功能复杂时，你必须用到变量。断言中支持C语言的int和数组声明，但在赋值时“不能”写成：##4 var = Signal，其中var是断言中的变量，和RTL无关，Signal是RTL中的一个信号。本句是想在第4周期将Signal的值赋给var，以便在后面使用该值。但本句只有变量赋值，没有对RTL信号的任何断言，就会报错，解决方法是：##4 (“废话”，var = Signal)，一定要有断言的话我们就写“废话”，例如:data == data 等。如果有多个变量要赋值也可以，##4 （废话，变量1赋值，变量2赋值...........）

 

5. 关于断言的表达风格：语法介绍的 “a |-> b”，实际上是 “if a, then b”的逻辑，当a不发生，b也不会被判断，该断言自然成功。但当我们的逻辑是

        if a1

        {

           if a2 

              then b

        }

该如何用断言表达？？？？ 或许可以写成：“a1 |-> a2 |-> b”，也可以，但常用的表达是：

       “a1 && a2 |-> b” 或者 “a1 ##3 a2 |-> b”

 

6. 关于断言的时序：时序逻辑的断言需要注意的一个问题：

   例如：假设当clk上升沿到来时，b<=a。将上述逻辑写成断言时，如果写成“@(posedge clk) b==a”，看起来和 b<=a一样，但实际上是错的。因为当时钟上升时，b还没有得到a的值，a还需要一段保持时间。即，断言中的信号值实际上是时钟沿到来之前的值，而不是时钟沿到来后他们将要编程的值。所以，b<=a逻辑的断言应该是：“@ (posedge clk) (a==a,tmp=a) |=> (b==tmp);”

 

针对上述几点，举一个复杂的例子：

断言wr的功能是检查串行地址输入是否正确，串行地址输入线是 DataIn 。$time返回值以0.1ns为单位（因为我在testbench中的单位规定是`timescale 1ns/100ps，精度是100ps = 0.1ns），所以$time/10才是ns。

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    wr: assert property(wr_p)

    $display("succeed：",$time/10);

    else

        $display("error: ",$time/10);

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//断言可以声明一个int数组arr[4]，

//“@(posedge clk) !vld_pulse_r[0] && !DataIn”是真实的预备条件

//“##4 (read==read, arr[0] = DataIn)”只是为了在特定时间内赋值，有用的语句是“arr[0] = DataIn”，//“read==read”是废话，为了编译通过。

//arr赋值完毕后，进入function进行处理，判断实际地址addr跟junc处理过的数据是否相同。

//“addr == junc(arr[0],arr[1],arr[2],arr[3]);”就是junction调用。

 

    property wr_p;

        int arr[4];

        @(posedge clk) !vld_pulse_r[0] && !DataIn   

            ##4 (read==read, arr[0] = DataIn) 

            ##1 (read==read, arr[1] = DataIn) 

            ##1 (read==read, arr[2] = DataIn) 

            ##1 (read==read, arr[3] = DataIn) |=>

            addr == junc(arr[0],arr[1],arr[2],arr[3]);

    endproperty

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////

    function [3:0] junc;

        input a,b,c,d;

        reg [3:0] a1;

        reg [3:0] b1;

        reg [3:0] c1;

        reg [3:0] d1;

 

        a1 = {3'b0,a};

        b1 = {3'b0,b};

        c1 = {3'b0,c};

        d1 = {3'b0,d};

        junc = a1+(b1<<1)+(c1<<2)+(d1<<3);

        $display(junc);

    endfunction

////////////////////////////////////////////////////////////////////////

 

7. 如果想在SVA中使用类似for(){....}的功能，别忘了语法中介绍的[*3]，这是在断言中实现for的唯一方式。

                ##4 (废话, cnt = 0, arr[cnt] = DataIn, cnt++)   //初始化一下，

                ##1 (read==read, arr[cnt] = DataIn, cnt++)[*3]  //循环3次

 

8. 每句断言都是一个小程序：如上例，在##4时间点上，(废话, cnt = 0, arr[cnt] = DataIn, cnt++)就是一个小程序，信号断言必须是第一句，其他运算按照顺序进行。

 

9. 断言的变量除了可用C语言中的int，float外，还可以是reg [n:0]等数字电路类型。

 

10. 注意：

像这种写法：

    property ept_p;

        @(posedge rd_clk)   ((rd_num == 0) |-> rd_ept)

                         && (rd_ept |-> (rd_num == 0));

    endproperty

是错误的，写了|->，就不能再用 && 等事件组合逻辑了。

解决方法是使用2个断言，没更好的方法。