SystemVerilog基本语法
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1.数据类型
-
VerilogHDL中有2种变量类型：
wire和reg，这两种变量是4值类型的（即有四种状态）。 -
SystemVerilog在此基础上拓展了一种变量类型：
logic类型，该变量类型可以取代wire型变量和reg型变量。但需要注意的是，logic型的变量不能够有多个结构性的驱动，所以在对inout端口变量进行声明的时候，需要使用wire变量类型。 -
其余的变量类型如下表所示：
-
定宽数组。Verilog要求在数组的声明中必须给出明确的上下界，例如：
int array[8]。需要注意的是，当越界访问数组的时候，若数据是四状态类型，那么将返回X值；若数据是双状态类型，那么将直接返回0。 -
数组的初始化。数组在定义的时候即可进行初始化，例如：
int array[8] = '{1,2,3,4,,default=7}，又例如：int array[8] = '{8{7}}。 -
合并数组。对于某些数据类型，用户可能希望它能够作为数组访问，也希望有时它可以作为一个整体访问，这就是合并数组的意义所在，例如：
bit [3:0][7:0] array，这个合并数组既可以当作4个byte分别访问，也可以作为一个32bit的数据进行整体访问。 -
动态数组。定宽数组在使用之前必须规定好数组的长度，有时这样的操作带有局限性，而动态数组在定义的时候不需要指明数组的长度，在使用的时候再对数组长度进行
new[]操作即可。例如，定义一个动态数组：int array[]，在使用的时候，对array进行new[]操作并指明数组长度即可：array = new[5]。 -
队列。队列是SystemVerilog新引进的数据类型，它结合了链表和数组的优点，可以随时增删数组里的元素，也可以做到快速的数组操作。在对队列进行声明的时候，需要使用
[$]。 -
关联数组。类似于Python里的字典。关联数组的声明有些复杂，例如：
bit [63:0] assoc[bit[63:0]]。另外一个简单的栗子：
1 program automatic assoc_test();
2 int assoc[string];
3
4 initial begin
5 assoc["super"] = 1;
6 assoc["special"] = 2;
7 assoc["offer"] = 3;
8
9 foreach(assoc[i]) begin
10 $display("assoc[%s] = %0d", i, assoc[i]);
11 end
12 end
13 endprogram
14 //result:assoc[offer]=3, assoc[special]=2, assoc[super]=1
- 数组的方法。数组拥有各类方便用户的方法，但是这些方法不能够使用在合并数组上。
- 流操作符。（bit-stream）表示方式为{>>{}} 和 {<<{}}。前者会把数据块按照从左到右的形式流（stream），后者则是从右到左。流操作符常用于把其后面的数据打包成一个比特流。
1 module test;
2 function void pack_array_int(const ref bit[7:0] array[4], output int a);
3 a = {<<byte{array}};
4 endfunction
5
6 bit[7:0] array[4] = '{ 8'h8C, 8'h00, 8'hA4, 8'hFF };
7 int pack_result;
8
9 initial begin
10 pack_array_int(array, pack_result);
11
12 $display("The result is 0x%h", pack_result);
13 end
14 endmodule
注意，此处的 const ref是为了避免子程序对数组的改变。ref是对数组直接的引用，避免子程序需要拷贝数组，从而释放仿真器的压力。
另一个实例是，项目中会涉及的大小端（big endian，little endian）的转换，且需要将数据解包。
1 module test;
2 function void unpack(bit[127:0] big_endian_data, output bit[63:0] little_endian_array[2]);
3 bit[127:0] temp;
4 temp = {<<byte{big_endian_data}};
5 for(int i=0; i<2; i++) begin
6 little_endian_array[i] = temp[63:0];
7 temp = temp >> 64;
8 end
9 endfunction
10
11 bit[127:0] big_endian_data = 128'h1122334455667788_aabbccddeeff1122;
12 bit[63:0] little_endian_array[2];
13
14 initial begin
15 unpack(big_endian_data, little_endian_array);
16
17 foreach(little_endian_array[i]) begin
18 $display("The result is 0x%h",little_endian_array[i]);
19 end
20
21 end
22 endmodule
该实例实现了将一个16byte的大端数据（big endian）转换为小端数据后，unpack成为2个64bit的数组：output bit[63:0] result[2]。
注：使用bit而不是byte是因为byte是有符号数，可能会引起产生负数。所以实际验证中一般使用bit。
- 枚举类型。枚举类型用
enum和一个中括号{}定义，常用于状态机中的状态定义，常用的枚举类型方法如下所示。
2.过程语句和子程序
- 任务和函数之间有着很大的差别，最大的差别在于：任务内部可以消耗仿真时间，而函数是表达式，不能够消耗仿真时间，例如：不能有
wait或者posedge clk这样的语句存在。并且对于函数来说，必须要有返回值，而且返回值必须要立即使用，不带返回值的函数需要用void进行声明。 - 参数的方向：
input、output、inout、ref，ref类型是参考类型，直接传递参数的指针，所以在对ref型的数据进行修改时，是直接对原始数据进行修改，类似于C语言的“实参”。 - VerilogHDL中的对象是静态分配的，不像其它的编程语言那样将对象放在堆栈里面，所以在多个地方同时调用同一个子程序（函数或者任务），可能会使用到同一个局部变量。解决这一问题的方法在于声明任务或者函数的时候，添加
automatic自动存储关键词，这样会迫使仿真器使用堆栈进行仿真。 - 仿真时间值。SystemVerilog提供多种指明仿真时间的方法：
timescale 1ns/1ps、timeunit、timeprecision、$timeformat（时间标度，小数点后的时间精度，后缀字母（单位），显示数值的最小宽度）。使用timescale可以对全局的文件进行统一的仿真时间设置，而后面的方法可以单独对某个模块进行设置。
3.连接设计和测试平台
-
SystemVerilog使用接口作为验证平台的通信管道，接口包含了连接、同步、多个模块之间的通信，是连接测试平台与DUT的关键桥梁。一个接口的示例如下所示：
interface my_if(input logic clk, input logic rst_n); logic valid, ready; endinterface
- 在接口
interface中，可以使用modport关键词定义一组信号并规定其方向，这类似于将interface中的某些信号用线捆好。在使用modport信号组的时候，需要指明信号组的名称。
interface my_if(input logic clk, input logic rst_n); logic valid, ready; modport DRIVER(input clk, rst_n, ready, output ready); modport MONITOR(input clk, rst_n, valid, ready); endinterface //using interface.MONITOR module my_dut(my_if.MONITOR vif); ... endmodule
- 接口
inerface可以使用时钟块clock blocking对接口内部的信号进行同步采样和驱动，这样可以保证测试平台在正确时间点的信号交互。另外，在时钟块里可以用default语句指定时钟偏移，但是在默认情况下输入信号仅在设计执行之前被采样。
interface my_if(input logic clk); logic valid, rst_b, ready; clocking drv_cb@(posedge clk); input ready; output valid; endclocking endinterface
-
SystemVerilog是以事件调度来进行仿真的语言，它将程序运行时发生的事情按一定的顺序进行调度并执行，在一段特定时间内会发生所有的事件调度，这段时间叫做time slot（时间片），某时刻仿真进入一个time slot，执行完其中的所有事件后，便进入下一个time slot。仿真时间（而非现实时间）是按照time slot向前推进的，如果程序中某一段代码反复调度回该time slot（无延时的死循环），仿真会因为无法进入下一个time slot而卡死，此时虽然现实时间在流逝，但仿真时间不再向前推进了。
-
对于时间片而言，主要有以下几个执行区域，其中
Acitive、Inactive、NBA区域属于Active Region，主要执行的是module（即RTL）中的代码；而Reacitive、Re-inactive、Re-NBA区域属于Reactive Region，主要执行的是program（即testbench）中的代码：
-
SystemVerilog中提供了断言，用户可以使用断言对时序进行判断。断言分为两类：立即断言和并发断言。
4.面向对象编程基础
-
面向对象编程的三大特点：封装、继承、多态。
-
在SystemVerilog中要分清楚句柄和对象的区别。
class transaction;
logic data[100];
function new();
foreach(data[i]) begin
data[i] = 2*i;
end
endfunction
endclass
transaction tr;//声明句柄
tr = new();//为对象开辟地址空间
- OOP中的静态变量和全局变量。每个类的内部都有自己的成员变量，当这些成员变量没有被
static关键词进行声明的时候，这些变量是局部的，而被static关键词修饰的成员变量则是共享的。除此之外，静态函数只能读写静态变量，不能够读写非静态变量，例如下面的例子中静态函数只能读写count的值，而不能对id的值进行访问。
class transaction;
static int count=0;
int id;
function new();
id = count++;
endfunction
endclass
transaction tr1, tr2;
tr1=new();//id=0,count=1
tr2=new();//id=1,count=2
-
this指代类一级的变量。当使用一个变量名的时候，SystemVerilog首先会在当前作用域进行寻找，假若找不到则会在上一级作用域进行寻找，这样循环往复直到找到为止。而若在某一局部作用域中想使用class一级的成员变量，可以使用this进行指代。 -
对象的复制。对象有2种不同的复制方式：简易复制和深层次复制。简易复制方式就像是对原对象的简单粗暴赋值，不会考虑对象内部的类；深层次复制可以解决这个问题，但用户需要自己维护复制函数。
1 class transaction;
2 static int count=0;
3 int id;
4 int addr, data;
5 statistics stats;//另一个类，内有成员变量int starttime
6
7 function new();
8 stats = new();
9 id = count++;
10 endfunction
11 endclass
12
13 //shallow copy
14 transaction src, dst;
15 initial begin
16 src = new();
17 src.stats.starttime = 30;
18 dst = new src;
19 dst.stats.starttime = 90;//同时src.stats.starttime也变成了90
20 end
21
22 //deep copy
23 class transaction;
24 static int count=0;
25 int id;
26 int addr, data;
27 statistics stats;//另一个类，内有成员变量int starttime
28
29 function new();
30 stats = new();
31 id = count++;
32 endfunction
33
34 function transaction copy();
35 copy = new();
36 copy.addr = addr;
37 copy.data = data;
38 copy.stats = stats.copy();//类statistics内部也需要维护一个复制函数
39 id = count++;
40 endfunction
41 endclass
- 类的公有和私有。在SystemVerilog中，所有的成员都是公有的，若在声明时加
local和protected关键词则可以将其变为私有成员或保护成员。网页、游戏等代码需要的是长时间的稳定性，为此需要将所用到的类都声明为私有类型，但是测试平台不同，有时我们不仅需要注入正确的激励，还需要注入错误的激励，这时候公有的类可以使我们的操作更加方便。
5.随机化
-
带有约束的随机是SV的灵魂，我们不可能指望用一个接着一个的定向激励去覆盖所有的DUT功能点，也不可能完全让激励放任自由地随机化，最好的设想就是利用带有约束的随机产生某一个方向上的随机。下面的代码展示了一个简单的带有随机的类：
1 class packet; 2 rand bit [7:0] data; 3 randc int count; 4 constraint count_cons {count>10;count<15;}//约束是声明性语句，需要用到{} 5 endclass 6 7 //创建一个对象并对其进行随机化 8 packet pkt; 9 initial begin 10 pkt = new(); 11 assert(pkt.randomize()) 12 else $fatal(0, "packet::randomize failed!"); 13 end
- 随机的权重。使用
dist关键词可以改变值的随机概率，即让某些值更加频繁地出现，或者更加不容易被随机出来。通常情况下，dist关键词的后面会跟着一个值及其相应的权重，中间用:=或者:/分开。
rand int src, dst; constraint src_dst_cons{ src dist{0:=40,[1:3]:=60}; //src=0,weight=40/220 //src=1,weight=60/220 //src=2,weight=60/220 //src=3,weight=60/220 dst dist{0:/40,[1:3]:/60}; //dst=0,weight=40/100 //dst=1,weight=20/100 //dst=2,weight=20/100 //dst=3,weight=20/100 }
- 随机中的集合和
inside操作符。可以使用inside操作符产生一个集合，使得随机变量在这个集合中随机取值。另外可以使用$运算符代指最小值或最大值。
1 rand int a, low, high; 2 const int array[5]='{1,3,5,7,9}; 3 rand bit [6:0] b; 4 rand bit [5:0] c; 5 rand int d; 6 constraint a_cons {a inside [low:high];}//low<=a<=high 7 //constraint a_cons {!(a inside [low:high]);}//a<low||a>high 8 constraint b_cons {b inside {[$,4],[20:$]};}//(0<=b<=4)||(20<=b<=127) 9 constraint c_cons {c inside {[$,2],[20,$]};}//(0<=c<=2)||(20<=c<=63) 10 constraint d_cons {d inside array;}//d==1||d==3||d==5||d==7
- 条件约束。使用条件约束，可以使得约束条件在某些情况下才起作用，条件约束可以使用
->符号，也可以利用关键词if()...else()。
1 class transaction; 2 bit workmode; 3 int crc; 4 constraint cons_crc {if(workmode) crc==0; else crc=$random();} 5 endclass 6 7 class transaction; 8 bit workmode; 9 int crc; 10 constraint cons_crc {workmode -> crc==0;} 11 endclass
- 解的概率。SystemVerilog并不保证随机约束器能够给出精确的解，但是用户可以控制概率的分布。另外需要注意的是，SystemVerilog中随机的约束是双向的。
1 //x有2种解：0和1，y有4种解：0、1、2、3，每一种随机结果的概率是一样的 2 class imp; 3 rand bit x; 4 rand bit [1:0] y; 5 endclass 6 7 //共有5种解：x=0,y=0;x=1,y=0;x=1,y=1;x=1,y=2;x=1,y=3，但是每种解的概率不一定相同 8 class imp; 9 rand bit x; 10 rand bit [1:0] y; 11 constraint cons_xy {(~x)->(y==0);}//当x=0的时候，y只能为0 12 endclass 13 14 //共有3种解：x=1,y=1;x=1,y=2;x=1,y=3，且每种解的概率一样，均为1/3 15 class imp; 16 rand bit x; 17 rand bit [1:0] y; 18 constraint cons_xy {y>0;(~x)->(y==0);}//当x=0的时候，y只能为0 19 endclass 20 21 //共有5种解：x=0,y=0(1/2);x=1,y=0(1/8);x=1,y=1(1/8);x=1,y=2(1/8);x=1,y=3(1/8)，但是每种解的概率不一定相同 22 class imp; 23 rand bit x; 24 rand bit [1:0] y; 25 constraint cons_xy {solve x before y;(~x)->(y==0);}//当x=0的时候，y只能为0 26 endclass 27 28 //共有5种解：x=0,y=0(1/8);x=1,y=0(1/8);x=1,y=1(1/4);x=1,y=2(1/4);x=1,y=3(1/4)，但是每种解的概率不一定相同 29 class imp; 30 rand bit x; 31 rand bit [1:0] y; 32 constraint cons_xy {solve y before x;(~x)->(y==0);}//当x=0的时候，y只能为0 33 endclass
-
对于
class内的约束模块constraint，可以通过constraint_mode()开启或者关闭约束模块；而对于class内的成员变量，可以通过rand_mode()开启或者关闭随机。 -
SystemVerilog允许使用
randomize() with来增加额外的约束，with后面的{}里，SystemVerilog使用的是类的作用域。 -
SystemVerilog提供了许多常用的系统函数，具体的函数列在下表：
6.线程的使用
-
SystemVerilog提供了创建多线程的方法，即
fork...join方法。
//启动完之后，所有线程结束才继续执行后面的程序 fork ... join //线程启动之后，只要有一个线程结束就继续执行后面的程序 fork ... join_any //线程启动之后，继续执行后面的程序 fork ... join_none
- 线程中的自动变量。当使用循环来创建线程的时候，如果在进入下一个循环之前没有保存当前的变量，那么该变量会在下一个线程当中被覆盖，这是一个很难发现的漏洞。
1 //最终结果会显示3个3 2 program no_auto; 3 initial begin 4 for(int i=0; i<3; i++) begin 5 fork 6 $write(i); 7 join_none 8 end 9 #0 $display("\n"); 10 end 11 endprogram 12 13 //最终结果：1 2 3 14 program no_auto; 15 initial begin 16 for(int i=0; i<3; i++) begin 17 fork 18 automatic int j = i; 19 $write(j); 20 join_none 21 end 22 #0 $display("\n"); 23 end 24 endprogram 25 26 //最终结果：1 2 3 27 program automatic no_auto; 28 initial begin 29 for(int i=0; i<3; i++) begin 30 fork 31 int j = i; 32 $write(j); 33 join_none 34 end 35 #0 $display("\n"); 36 end 37 endprogram
- SystemVerilog中可以利用事件
event进行线程间的通信，->符号表示触发一个事件，@符号表示等待一个事件的触发，该符号是一个边沿敏感型符号，是阻塞的；另外，可以通过wait(event.triggered())这样的电平敏感型表达式替换@这样的边沿敏感型符号，但这个表达式是非阻塞的，在使用的时候需要保证仿真时间的向前推进。
//仿真卡死 forever begin wait(handshake.triggered());//non-blocking $display("received next event!"); process_next_item_function()//a function defined by user end
-
SystemVerilog提供旗语实现多个线程对同一个资源的访问控制。例如，DUT中有多个线程请求同一个资源，这就可以使用旗语来完成控制权的仲裁。旗语通过
semaphore关键词来声明，旗语有3个基本的操作：new、get和put。 -
SystemVerilog提供信箱供线程之间进行信息交换，可以将信箱看作是一个连接了收端和发端的FIFO，当信箱为空的时候，读取信息（
mailbox.get()）会被阻塞；当信箱为满的时候，放入信息（mailbox.put()）这个动作会发生阻塞。信箱用mailbox关键词进行声明，mailbox是一个类，所以在使用之前需要new()操作，在创建对象的时候可以传入参数，这个参数是可容纳数据的上限，如果不传或者传入数据为0，则视为信箱的容量无限大。
1 program automatic synchronized; 2 class producer; 3 mailbox mbx; 4 5 function new(mailbox mbx); 6 this.mbx = mbx; 7 endfunction 8 9 task run(); 10 for(int i=1; i<4; i++) begin 11 $display("producer:before put information(%d)", i); 12 mbx.put(i); 13 end 14 endtask 15 endclass 16 17 class consumer; 18 mailbox mbx; 19 20 function new(mailbox mbx); 21 this.mbx = mbx; 22 endfunction 23 24 task run(); 25 repeat(3) begin 26 int i; 27 mbx.get(i) 28 $display("consumer:after get information(d%)", i); 29 end 30 endtask 31 endclass 32 33 producer p; 34 comsumer c; 35 initial begin 36 maibox mbx; 37 mbx = new(); 38 p = new(mbx); 39 c = new(mbx); 40 fork 41 p.run(); 42 c.run(); 43 join 44 end 45 endprogram 46 47 //result 48 producer:before put information(1) 49 producer:before put information(2) 50 consumer:after get information(1) 51 consumer:after get information(2) 52 producer:before put information(3) 53 consumer:after get information(3)
- 假若在用信箱
mailbox的同时使用事件event的话，就可以实现线程间的完全同步了。
1 program automatic synchronized; 2 class producer; 3 mailbox mbx; 4 event handshake; 5 6 function new(mailbox mbx, event handshake); 7 this.mbx = mbx; 8 this.handshake = handshake; 9 endfunction 10 11 task run(); 12 for(int i=1; i<4; i++) begin 13 $display("producer:before put information(%d)", i); 14 mbx.put(i); 15 @handshake;//等待事件handshake的触发 16 end 17 endtask 18 endclass 19 20 class consumer; 21 mailbox mbx; 22 event handshake; 23 24 function new(mailbox mbx, event handshake); 25 this.mbx = mbx; 26 this.handshake = handshake; 27 endfunction 28 29 task run(); 30 repeat(3) begin 31 int i; 32 mbx.get(i) 33 $display("consumer:after get information(d%)", i); 34 ->handshake;//触发事件handshake 35 end 36 endtask 37 endclass 38 39 producer p; 40 comsumer c; 41 initial begin 42 maibox mbx; 43 mbx = new(); 44 event handshake; 45 p = new(mbx, handshake); 46 c = new(mbx, handshake); 47 fork 48 p.run(); 49 c.run(); 50 join 51 end 52 endprogram 53 54 //producer和consumer两个线程之间实现了完全同步 55 producer:before put information(1) 56 consumer:after get information(1) 57 producer:before put information(2) 58 consumer:after get information(2) 59 producer:before put information(3) 60 consumer:after get information(3)
7.面向对象编程的高级技巧
-
OOP中类的变量称为属性（property），类中的任务或者函数称为方法（method），子程序的原型（prototype）是指明了参数列表和返回类型的第一行。
-
类在使用
extends关键词进行继承的时候，假若构造函数eg.function new(int value)中有参数传递，那么扩展类中的构造函数的第一行也必须调用基类的构造函数super.new(value)。 -
可以将一个派生类的句柄赋值给一个基类的句柄，并且不需要任何特殊的代码；但是相反的，假若将一个扩展类的句柄赋值给一个基类句柄时，最好使用
$cast()进行类型匹配，类型不匹配时会返回0值。
1 //将子类的句柄赋值给父类 2 program automatic test; 3 class father; 4 function void call; 5 $display("***I am father!!!***"); 6 endfunction 7 endclass 8 9 class son extends father; 10 function new(); 11 super.new(); 12 endfunction 13 14 function void call; 15 $display("***I am son!!!***"); 16 endfunction 17 endclass 18 19 father fa; 20 son so; 21 initial begin 22 so = new(); 23 so.call;//输出是：I am son!!!。假若在function的前面加上virtual关键字，那么SV会根据对象的类型进行方法的调用 24 fa = so; 25 fa.call;//输出是：I am father!!!。假若在function的前面加上virtual关键字，那么输出为：I am son!!! 26 end 27 endprogram
1 //将父类的句柄赋值给子类 2 program automatic test; 3 class father; 4 function void call; 5 $display("***I am father!!!***"); 6 endfunction 7 endclass 8 9 class son extends father; 10 function new(); 11 super.new(); 12 endfunction 13 14 function void call; 15 $display("***I am son!!!***"); 16 endfunction 17 endclass 18 19 father fa; 20 son so; 21 initial begin 22 fa = new(); 23 fa.call;//输出应为：I am father!!! 24 so = fa;//此行为禁止，编译不通过 25 so.call; 26 end 27 endprogram
-
虚方法。虚方法需要在最前面添加
virtual关键词进行声明，类在调用虚方法的时候，会根据对象的类型进行调用而不是句柄的类型。假若没有对方法进行virtual虚方法的声明，则SystemVerilog会根据句柄的类型而非对象的类型调用方法。 -
抽象类和纯虚方法。SystemVerilog提供了2种构造方法来创建一个可以共享的基类：第一种是抽象类，即可以被扩展但是不能被直接实例化的类，使用
virtual关键词进行修饰；第二种是纯虚方法，这是一种没有实体的方法原型，用关键词pure修饰，并且纯虚方法只能够在抽象类中定义。
1 virtual class base_transaction; 2 static int count = 1; 3 int id; 4 function new(); 5 id = count++; 6 endfunction 7 pure virtual function bit compare(input base_transaction to); 8 pure virtual function base_transaction copy(input base_transaction to=null); 9 pure virtual function void display(input string prefix=""); 10 endclass
- 回调。回调功能其实是在类的方法中预设了一些虚方法，这些虚方法的内部是没有代码实现的，所以在使用回调函数的时候需要对虚方法进行重写。SystemVerilog中的自建方法
randomize()即是一种回调方法，其前后还包括了pre_randomize()和post_randomize()。
1 //代码来自数字IC小站：SystemVerilog中的callback（回调） 2 class abc_transactor; 3 virtual task pre_send(); endtask 4 virtual task post_send(); endtask 5 6 task xyz(); 7 // Some code here 8 this.pre_send(); 9 // Some more code here 10 this.post_send(); 11 // And some more code here 12 endtask : xyz 13 endclass : abc_transactor 14 15 class my_abc_transactor extend abc_transactor; 16 virtual task pre_send(); 17 ... // This function is implemented here 18 endtask 19 20 virtual task post_send(); 21 ... // This function is implemented here 22 endtask 23 ... 24 endclass : my_abc_transactor
