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SystemVerilog（6）：线程通信

1、线程

线程即独立运行的程序。
线程需要被触发，可以结束或者不结束。
在 module 中的 initial 和 always，都可以看做独立的线程，它们会在仿真 0 时刻开始，而选择结束或者不结束。
硬件模型中由于都是 always 语句块，所以可以看成是多个独立运行的线程，而这些线程会一直占用仿真资源，因为它们并不会结束。
软件测试平台中的验证环境都需要由 initial 语句块去创建，而在仿真过程中，验证环境中的对象可以创建和销毁，因此软件测试端的资源占用是动态的。
软件环境中的 initial 块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。
与 fork...join 类似的并行方式语句还包括 fork...join_any 、 fork...join_none 。

一些概念的澄清：

线程的执行轨迹是呈树状结构的，即任何的线程都应该有父线程。
父线程可以开辟若干个子线程，父线程可以暂停或者终止子线程。
当子线程终止时，父线程可以继续执行。
当父线程终止时，其所开辟的所有子线程都应当会终止。

2、线程的控制

2.1 三种fork

fork_join：最长时间的程序走完，才会结束 fork 块；
fork_join_any：最短时间的程序走完，就会结束 fork 块，但 fork 语句里未走完的程序依旧会执行（前提是Initial未结束）；
fork_join_none：一运行就会结束 fork 块，但 fork 语句里未走完的程序依旧会执行（前提是initial未结束）；

的

2.2 等待所有fork

在sv中，当程序中的 initial 块全部执行完毕，仿真器就退出了。如果我们希望等待 fork 块中的所有线程执行完毕再退出结束 initial 块，我们可以使用 wait fork 语句来等待所有子线程结束。

 task run_threads ;
    fork
        check_trans (tr1); //线程1
        check_trans (tr2); //线程2
        check_trans (tr3); //线程3
    join_none
    ...
    //等待所有fork中的线程结束再退出task
    wait fork;
endtask

2.2 停止单个fork

在使用了 fork ...join any 或者 fork...join_none 以后，我们可以使用 disable 来指定需要停止的线程。

 parameter TIME_OUT = 1000;
 
task check_trans( Transaction tr) ;
    fork 
        begin
            //等待回应，或者达到某个最大时延
            fork: timeout block
                begin
                    wait(bus.cb.addr == tr.addr) ;
                    $display("@%0t: Addr match %d",$time, tr.addr);
                end
                #TIME_OUT $display("@%0t: Error: timeout",$time);
            join_any
            disable timeout_block ;
        end
    join_none
endtask

disable fork可以停止从当前线程中衍生出来的所有子线程。

 initial begin
    check_trans (tro) ; //线程0
    //创建一个线程来限制disable fork的作用范围
    fork //线程1
        begin
            check_trans(tr1); //线程2
            fork //线程3
                check_trans(tr2); //线程4
            join
            //停止线程1-4，单独保留线程0
            #(TIME_OUT/2) disable fork;
        end
    join
end

2.3 停止被多次调用的任务

如果你给某一个任务或者线程指明标号，那么当这个线程被调用多次以后，如果通过disable去禁止这个线程标号，所有衍生的同名线程都将被禁止。

 task wait_for_time__out(int id) ;
    if (id == 0)
    fork
        begin
            #2;
            $display ("@%0t: disable wait_for_time_out", $time);
            disable wait_for_time_out;
        end
    join_none
    fork: just_a_little
        begin
            $display ("@0t: 8m: 80d entering thread", $time, id);
            #TIME_OUT;
            $display("@%0t:%m: %0d done", $time, id);
        end
    join_none
endtask
 
initial begin
    wait_for_time_out(0); //Spawn thread 0
    wait_for_time_out(1); //Spawn thread 1
    wait_for_time_out(2); //Spawn thread 2
    #(TIME_OUT*2)
    $display("@%0t: All done", $time);
end

任务 wait_for_time_out 被调用了三次，从而衍生了三个线程。
线程0在#2延时之后禁止了该任务，而由于三个线程均是"同名”线程，因此这些线程都被禁止了，最终也都没有完成。

3、线程间的通信

测试平台中的所有线程都需要同步并交换数据。一个线程需要等待另一个。
多个线程可能同时访问同一个资源。线程之间可能需要交换数据。
所有这些数据交换和同步称之为线程间的通信(IPC,Interprocess Communication) 。

3.1 事件event

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。
其它线程可以通过 -> 操作符来触发事件，结束对第一个线程的阻塞。
这就像在打电话时，一个人等待另一个人的呼叫。
唯一不需要 new( ) 的方法。

3.1.1 事件的边沿阻塞

 event e1,e2;
 
initial begin
    $display("@%0t: 1: before trigger", $time);
    -> e1;
    @e2;
    $display("e%0t: 1: after trigger", $time);
end
 
initial begin
    $display("@%0t: 2: before trigger", $time);
    -> e2;
    @e1;
    $display("@%0t: 2: after trigger",$time);
end

打印结果如下所示：

 @0: 1: before trigger
@0: 2: before trigger
@0: 1: after trigger

第一个初始化块启动，触发e1事件，然后阻塞在e2上。
第二个初始化块启动，触发e2事件，然后阻塞在e1上。
e1 和 e2 在同一个时刻被触发，但由于 delta cycle 的时间差使得两个初始化块可能无法等到 e1 或者 e2。
所以，更安全的方式可以使用event的方法 triggered ( )。

3.1.2 等待事件的触发

可以使用电平敏感的 wait (e1.triggered ( ) ) 来替代边沿敏感的阻塞语句 @e1 。
如果事件在当前时刻已经被触发，则不会引起阻塞。否则，会一直等到事件被触发为止。
这个方法比起 @ 而言，更有能力保证，只要 event 被触发过，就可以防止引起阻塞。

 event e1,e2;
initial begin
    $display("@%0t: 1: before trigger",$time);
    -> e1;
    wait( e2.triggered() );
    $display("@%0t: 1: after trigger" ,$time);
end
 
initial begin
    $display("@%0t: 2: before trigger", $time);
    -> e2;
    wait( e1.triggered() ) ;
    $display("@%0t: 2: after trigger", $time);
end

打印结果如下所示：

 @0: 1: before trigger
@0: 2: before trigger
@0: 1: after trigger
@0: 2: after trigger

3.2 旗语semaphore

semaphore 可以实现对同一资源的访问控制。
对于初学者而言，无论线程之间在共享什么资源，都应该使用 semaphore 等资源访问控制的手段，以此避免可能出现的问题。
semaphore 有三种基本操作。
- new( ) 方法可以创建一个带单个或者多个钥匙的semaphore；
- 使用 get( ) 可以获取一个或者多个钥匙；
- 而 put( ) 可以返回一个或者多个钥匙。
如果你试图获取一个 semaphore 而希望不被阻塞，可以使用 try get( ) 函数。
- 返回 1 表示有足够多的钥匙；
- 返回 0 则表示钥匙不够。

 program automatic test(bus_ifc. TB bus) ;
    sermaphore semn; //创建一-个semaphore
 
    initial begin
        sen = new(1); //分配一个钥匙
        fork
            sequencer(); //产生两个总线事务线程
            sequencer();
        join
    end
    
    task sequencer;
        repeat($urandom%10) //随机等待0-9个周期
        @bus.cb;
        sendTrans();        //执行总线事务
    endtask
 
    task sendTrans;
        sem.get(1); //获取总线钥匙
        @bus.cb;    //把信号驱动到总线上
        bus.cb.addr <= t.addr;
        ...
        sem.put(1); //处理完成时把钥匙返回
    endtask
endprogram

3.3 信箱mailbox

线程之间如果传递信息，可以使用 mailbox 。
- mailbox 和队列 queue 有相近之处。
mailbox 是一种对象，因此也需要使用 new( ) 来例化。
- 例化时有一个可选的参数 size 来限定其存储的最大数量。
- 如果 size 是 0 或者没有指定，则信箱是无限大的，可以容纳任意多的条目。
使用 put( ) 可以把数据放入 mailbox，使用 get( ) 可以从信箱移除数据。
- 如果信箱为满，则 put( ) 会阻塞;
- 如果信箱为空，则 get( )会阻塞。
使用 peek( ) 可以获取对信箱里数据的拷贝而不移除它。
线程之间的同步方法需要注意，哪些是阻塞方法，哪些是非阻塞方法，即哪些是立即返回的，而哪些可能需要等待时间的。

 program automatic bounded;
    mailbox mbx ;
 
    initial begin
        mbx = new(1); //容器为1
        fork
            //Producer线程
            for(int i=1; i<4; i++) begin
                $display("Producer: before put (80d)", i);
                mbx.put(i) ;
                $display("Producer : after put (80d)", i);
            end
            //consumer线程
            repeat(4) begin
                int j;
                #1ns mbx.get(j);
                $display("consumer : after get (80d)",j);
            end
        join
    end
endprogram

打印结果如下所示：

 Producer : before put(1)
Producer : after put(1)
Producer : before put(2)
Consumer : after get(1)
Producer : after put(2)
Producer : before put(3)
Consumer : after get(2)
Producer : after put(3)
Consumer : after get(3)

关于mailbox的其它特性也需要加以了解:

mailbox 在例化时，通过 new(N) 的方式可以使其变为定长(fixed length) 容器。这样在负载到长度N以后，无法再对其写入。如果用 new( ) 的方式，则表示信箱容量不限大小。
除了 put( ) / get( ) / peek( ) 这样的阻塞方法，用户也可以考虑使用 try_put( ) / try_get( ) / try_peek( ) 等非阻塞方法。
如果要显式地限定 mailbox 中元素的类型，可以通过 mailbox #(type = T) 的方式来声明。

3.4 三种方法的比较

event：最小信息量的触发，即单一的通知功能。可以用来做事件的触发，也可以多个 event 组合起来用来做线程之间的同步。
semaphore：共享资源的安全卫士。如果多线程间要对某一公共资源做访问，即可以使用这个要素。
mailbox：精小的 SV 原生 FIFO。在线程之间做数据通信或者内部数据缓存时可以考虑使用此元素。

参考资料：

[1] 路科验证V2教程

[2] 绿皮书：《SystemVerilog验证测试平台编写指南》第2版

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posted @ 2022-07-17 15:20 咸鱼IC 阅读(835) 评论(0) 编辑收藏举报

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SystemVerilog（6）：线程通信

1、线程

2、线程的控制

2.1 三种fork

2.2 等待所有fork

2.2 停止单个fork

2.3 停止被多次调用的任务

3、线程间的通信

3.1 事件event

3.1.1 事件的边沿阻塞

3.1.2 等待事件的触发

3.2 旗语semaphore

3.3 信箱mailbox

3.4 三种方法的比较

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	task run_threads ;
	fork
	check_trans (tr1); //线程1
	check_trans (tr2); //线程2
	check_trans (tr3); //线程3
	join_none
	...
	//等待所有fork中的线程结束再退出task
	wait fork;
	endtask

	parameter TIME_OUT = 1000;

	task check_trans( Transaction tr) ;
	fork
	begin
	//等待回应，或者达到某个最大时延
	fork: timeout block
	begin
	wait(bus.cb.addr == tr.addr) ;
	$display("@%0t: Addr match %d",$time, tr.addr);
	end
	#TIME_OUT $display("@%0t: Error: timeout",$time);
	join_any
	disable timeout_block ;
	end
	join_none
	endtask

	initial begin
	check_trans (tro) ; //线程0
	//创建一个线程来限制disable fork的作用范围
	fork //线程1
	begin
	check_trans(tr1); //线程2
	fork //线程3
	check_trans(tr2); //线程4
	join
	//停止线程1-4，单独保留线程0
	#(TIME_OUT/2) disable fork;
	end
	join
	end

	task wait_for_time__out(int id) ;
	if (id == 0)
	fork
	begin
	#2;
	$display ("@%0t: disable wait_for_time_out", $time);
	disable wait_for_time_out;
	end
	join_none
	fork: just_a_little
	begin
	$display ("@0t: 8m: 80d entering thread", $time, id);
	#TIME_OUT;
	$display("@%0t:%m: %0d done", $time, id);
	end
	join_none
	endtask

	initial begin
	wait_for_time_out(0); //Spawn thread 0
	wait_for_time_out(1); //Spawn thread 1
	wait_for_time_out(2); //Spawn thread 2
	#(TIME_OUT*2)
	$display("@%0t: All done", $time);
	end

	event e1,e2;

	initial begin
	$display("@%0t: 1: before trigger", $time);
	-> e1;
	@e2;
	$display("e%0t: 1: after trigger", $time);
	end

	initial begin
	$display("@%0t: 2: before trigger", $time);
	-> e2;
	@e1;
	$display("@%0t: 2: after trigger",$time);
	end

	@0: 1: before trigger
	@0: 2: before trigger
	@0: 1: after trigger

	event e1,e2;
	initial begin
	$display("@%0t: 1: before trigger",$time);
	-> e1;
	wait( e2.triggered() );
	$display("@%0t: 1: after trigger" ,$time);
	end

	initial begin
	$display("@%0t: 2: before trigger", $time);
	-> e2;
	wait( e1.triggered() ) ;
	$display("@%0t: 2: after trigger", $time);
	end

	program automatic test(bus_ifc. TB bus) ;
	sermaphore semn; //创建一-个semaphore

	initial begin
	sen = new(1); //分配一个钥匙
	fork
	sequencer(); //产生两个总线事务线程
	sequencer();
	join
	end

	task sequencer;
	repeat($urandom%10) //随机等待0-9个周期
	@bus.cb;
	sendTrans(); //执行总线事务
	endtask

	task sendTrans;
	sem.get(1); //获取总线钥匙
	@bus.cb; //把信号驱动到总线上
	bus.cb.addr <= t.addr;
	...
	sem.put(1); //处理完成时把钥匙返回
	endtask
	endprogram

	program automatic bounded;
	mailbox mbx ;

	initial begin
	mbx = new(1); //容器为1
	fork
	//Producer线程
	for(int i=1; i<4; i++) begin
	$display("Producer: before put (80d)", i);
	mbx.put(i) ;
	$display("Producer : after put (80d)", i);
	end
	//consumer线程
	repeat(4) begin
	int j;
	#1ns mbx.get(j);
	$display("consumer : after get (80d)",j);
	end
	join
	end
	endprogram

	Producer : before put(1)
	Producer : after put(1)
	Producer : before put(2)
	Consumer : after get(1)
	Producer : after put(2)
	Producer : before put(3)
	Consumer : after get(2)
	Producer : after put(3)
	Consumer : after get(3)