SystemVerilog_线程

SV线程

语句块

用来将多个语句组织在一起，使得他们在语法上如同一个语句。

• 顺序块：语句置于关键字begin和end之间，块中的语句以顺序方式执行。
• 并行块：关键字fork和join/join_any/join_none之间的是并行块语句，块中的语句并行执行。

命名块

给每个块定义的标识名称，将块名加在begin或fork后面；

• 可以定义块内局部变量
• 允许定义的块被其他语句调用，如disable语句；

程序和模块

• 对于硬件的过程块，他们之间的通信可以理解为不同逻辑、时序块之间的通信或者同步，是通过信号的变化来完成
• 从硬件实现角度看，verilog 通过always，initial过程语句块和信号数据连接实现进程间通信
• 可以将不同的module作为独立的程序块，他们之间的同步通过信号的变化（event触发）、等待待定事件（时钟周期）或者时间延时来完成
• 从软件思维理解硬件仿真，仿真中的各个模块首先是独立运行的线程
• 模块在仿真一开始便并行执行，除了每个线程会按照自身内部产生的事件来触发过程语句块之外，也同时依靠相邻模块间的信号变化来完成模块之间的线程同步

线程

• 线程是可以独立运行的程序
• 线程需要被触发，可以结束或者不结束
• 在module中的 initial 和 always ，都可以看成独立的线程，他们在仿真 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
• 软件测试平台中的验证环境都需要有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
• 线程的执行轨迹呈树状结构，任何线程都有父线程
  • 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　
• 软件环境中的initial  块对语句有两种方式：
  • begin ...  end：内部语句以顺序方式执行
  • fork ... join：内部语句以并发方式执行

线程的控制

创建线程

fork...join/join_any/join_none:   能够从它的每一个并行语句中产生并发进程。

• join: 父进程阻塞到这个分支产生的所有进程结束；
• join_any:  父进程阻塞到这个分支产生的任意一个进程结束；
• join_none:    父进程会与其生成的所有子进程并发执行。在父进程执行一条阻塞语句或者结束之前，所生成的子进程不会启动执行。

 wait fork

• 在SV中，当程序中的initial 块全部执行完毕，仿真器就退出了。
• 如果需要等待fork 中的所有线程执行完毕再退出结束initial 块，可以使用 wait fork 语句来等待所有子线程结束

initial begin: fork_join_none
  $display("@%0t, fork_join_none_thread entered", $time);
  fork: fork_join_none_thread
    thread(0, 10);   // 线程1
    thread(1, 20);   // 线程2
    thread(2, 30);   // 线程3
  join_none
  $display("@%0t, fork_join_none_thread exited", $time);
  wait fork;     // 等待所有线程退出
  $display("@%0t, fork_join_none_thread's all sub-threads finished", $time);
end

disable

• 在使用fork ... join  或者fork ... join_none 以后，可以使用disable 来制定需要停止的线程
• disable fork 可以停止从当前线程中衍生出来的所有子线程
• 如果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

initial begin: fork_join_any
  $display("@%0t, fork_join_any_thread entered", $time);
  fork: fork_join_any_thread
    thread(0, 10);
    thread(1, 20);
    thread(2, 30);
  join_any 
  $display("@%0t, fork_join_any_thread exited", $time);
  disable fork_join_any_thread;
  $display("@%0t, disabled fork_join_any_thread", $time);
end

线程间的通信：IPC

•  测试平台中的所有贤臣都需要同步并交换数据
• 一个线程等待另一个线程
• 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

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，总是阻塞着、等待事件的变化
• 其他线程可以通过  ->  操作法来触发事件，结束对第一个线程的阻塞
• event 是边沿触发
• 可以使用电平敏感的 wait(e1.triggered()) ， 来代替边沿敏感的阻塞语句 @e1；只要event 被触发过，就可以防止引起阻塞
• 明确什么时候使用wait：wait 用于等待一次，如果需要多次等待，则需要在等待到一次后，就清除一次，如uvm中的wait；@ 可以等待多次

event e1, e2;
initial begin
    ->e2;
    @e1;    //  触发e1，在event 边沿触发
end
initial begin
    ->e1;   //  等待e1
    @e2;
end
// e1, e2在同一时刻被触发，由于delta cycle的时间差，可能使得两个初始化无法等到e1 或者 e2

// 推荐使用
wait (e1.triggered());  

 线程间的通知

class car;
    bit start = 0;
    task launch();
        start = 1;
        $display(car is launched);
    endtask
    task move();
        wait(start == 1);
        $display("car is moving");
    endtask
    task driver();
        fork
            this.launch();
            this.move();
        join
    endtask
endclass

module road;
    initial begin
        automatic car byd = new();
        byd.driver();
    end
endmodule

envet 模式

class car;
    event     e_start;
    task launch();
        -> e_start;
        $display(car is launched);
    endtask
    task move();
        wait(e_start.triggered);
        $display("car is moving");
    endtask
    task driver();
        fork
            this.launch();
            this.move();
        join
    endtask
endclass

 semaphore

•  可以实现对同一资源的访问控制，互斥访问
• semaphore 的三种基本操作：
  • new()  可以创建一个带单个或者多个钥匙的semaphore
  • get()    可以获取一个或者多个钥匙
  • put()    可以返回一个或者多个钥匙
• try_get()  ： 非阻塞式获取钥匙，函数返回 1 表示有足够多的钥匙，返回  0  表示钥匙不够

 mailbox信箱

• 线程间如果传递消息，可以使用mailbox
• mailbox和队列有相近之处
• mailbox 是一种对象，需要使用 new() 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 new()，则信箱是无限大的，可以容纳任意多的条目
  • new(N)， 设置容量为 N
• put()：可以把数据放入mailbox；如果信箱已满，则 put 会阻塞；try_put() 非阻塞方法
• get()：可以从信箱移除数据；如果信箱为空，则 get 会阻塞；try_get()  非阻塞方法
• peek()：可以获取对信箱里数据的拷贝而不移除它；try_peek 非阻塞方法
• 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
• 如果要显式的限定mailbox 中的元素类型，可以通过mailbox #(type=T)  的方式来声明，例如 mailbox #(int)

 总结

•  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组合起来做线程之间的同步
• semaphore：共享资源的安全卫士。如果多线程之间要对某一公共资源做访问
• 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是可以考虑这个