簡述SystemVerilog的隨機約束方法

上一篇文章介紹了SystemVerilog的各種隨機化方法，本文將在其基礎(chǔ)上引入SystemVerilog的隨機約束方法（constraints）。通過使用隨機約束，我們可以將隨機限制在一定的空間內(nèi)，有針對性地提高功能覆蓋率。

SV隨機約束的應用，就像是我們用陳述性（declarative）的語句告訴仿真器我們要的隨機數(shù)要滿足哪些條件，然后仿真器的約束解算器（constraint solver）就會去找到能夠滿足我們所有描述語句的解，再從這些解中隨機選出來一個值作為隨機的結(jié)果。

約束解算器

約束解算器是SV仿真器重要的一部分，它被專門用來求解約束。這里說的求解，就是指的仿真程序通過某種算法，找到能夠滿足我們所有約束條件的隨機值的過程。如果隨機被過約束（over-constraint）了，或者存在隨機值的組合情況不能滿足約束，則約束解算器就會解算失敗。在實際應用中，仿真程序就會報錯，然后打印出來告訴我們是哪段約束沒有解算成功。

理解約束解算器的重要性，可以想想如果沒有約束解算器會怎么樣？舉一個簡單的栗子，現(xiàn)在我們有一個約束條件：變量A的隨機值總是小于變量B的隨機值。如果沒有約束功能，代碼可以這么實現(xiàn)：

do begin
    A = $urandom;
    B = $urandom;
end while (! (A

使用約束語句代碼是這樣的：

class ictalking;
    rand bit [7:0] A, B;
    constraint c_ab { A < B; }
endclass

可以看得出來，如果沒有約束解算器，我們在描述約束的時候就會變得比較繞，通常會花掉很多時間去重復執(zhí)行相同的一段代碼，有時候甚至會跑了半天都撞不出來一個滿足約束的隨機值，更別說那些復雜的約束了。有了約束解算器，我們就可以在其框架內(nèi)加入各種約束語句，它總能幫我們快速找到那個解。

約束關(guān)系和控制

約束的解算順序： 約束的解算順序可以使用solve-before來控制。約束解算器會優(yōu)先求解before之前的約束，因此使用solve-before會影響隨機數(shù)組合的概率分布情況。

class ictalking;
    rand bit [7:0] A, B;
    constraint c_a { A > B; }
    constraint c_order {solve A before B;}
    // 順序約束可以寫在同一個約束塊中，    // 也可以分開寫在不同的約束塊中（如本例）endclass

硬約束和軟約束： 當我們在不同的層次對隨機變量附加約束的時候，軟約束可以被后面指定的約束給覆蓋。典型的應用場景是在UVM的sequence_item（或者叫transaction）定義時，我們可以通過軟約束指定默認的隨機約束，這樣方便我們后面在繼承或者例化的時候可以使用更高優(yōu)先級的約束對其覆蓋。

class ictalking;
    rand int count;
    constraint c_count {
           soft count inside {[666:888]}; // 指定軟約束需要使用關(guān)鍵字soft
    }
endclass

ictalking ict = new();
ict.randomize() with { count inside {[123:456]}; }

約束的控制開關(guān)： 默認情況下，所有的約束一寫上就默認使能，即約束解算器就會按照這些約束開始算。但SV提供約束條件的控制方法constraint_mode()，可以很方便的控制約束是否啟用，以及查詢約束的啟用狀態(tài)。

// 繼續(xù)上面的例子
int con_status;
ictalking ict_obj1 = new();
ictalking ict_obj2 = new();

ict_obj1.c_count.constraint_mode(0); // 不啟用ict_obj1中的約束c_count
ict_obj2.c_count.constraint_mode(1); // 啟用ict_obj2中的約束c_count
ict_obj1.count.rand_mode(0); // 順便提一嘴，隨機變量類似的可以使用rand_mode開關(guān)隨機功能

con_status = ict_obj1.c_count.constraint_mode(); // 獲得ict_obj1中約束c_count的啟用狀態(tài)

五花八門的約束代碼

SV中的約束非常靈活，下面給出一些常用的約束代碼，可以作為參考和總結(jié)。

• 范圍約束： 使用inside指定隨機數(shù)的范圍或者枚舉值

rand int temp_var;
constraint c_var_1 {temp_var inside {[2000:2021]}; }           // 限定范圍
constraint c_var_2 {temp_var inside {2008, 2016, 2019}; } // 限定枚舉值
constraint c_var_3 {! (temp_var inside {[1:2007]});              // 反向限定范圍

• 條件約束： SV中有兩種寫條件約束的方式：implication（有些地方會翻譯成蘊藏或者關(guān)聯(lián)等等）和 if-else，用來指定在某些條件下才做進一步的約束，這兩種方法使用上幾乎沒有區(qū)別。

rand bit mode;
rand int count;
constraint c_var_1 { mode == 1 -> count < 2021; } // 使用implication操作符->
constraint c_var_2 { if (mode == 1) {count < 2021;} else {count > 6000;} } // 使用if-else

• 權(quán)重約束： 約束可以指定隨機值的權(quán)重，主要有兩種方式：dist和randcase。dist一般用在constraint約束塊中，但randcase一般用在程序執(zhí)行塊中，比如某個函數(shù)、任務或者initial塊等。

rand bit mode;
rand int count;
constraint c_var_1 {
    mode == READ  -> count inside {[2008:2016]};
    mode == WRITE -> count inside {[2017:2021]};
    mode dist {READ := 4, WRITE := 6}; // mode隨機成READ的概率為40%，WRITE為60%
}

initial begin
    repeat (100) begin
        randcase            2: $display("In 1st branch."); // 在100次循環(huán)中，執(zhí)行分支1的概率是20%            7: $display("In 2nd branch."); // 在100次循環(huán)中，執(zhí)行分支2的概率是70%
            1: $display("In 3rd branch."); // 在100次循環(huán)中，執(zhí)行分支3的概率的10%
         endcase
     end
end

• 唯一約束： 唯一約束使用unique關(guān)鍵字來限定變量之間的值是唯一的，即兩兩之間互不相等。

rand int a, b, c;
rand int array[5];
int q[$] = `{200, 53, 656};

constraint c_unique {
    unique {a, b, c};     // 該約束要求a和b和c兩兩之間互不相等
    unique {a, b, array}; // 該約束要求a和b和array中的所有值互不相等
    unique {array};       // 該約束要求array數(shù)組內(nèi)的5個值互不相等
    unique {a, q};        // 該約束要求a隨機出來的值不等于q中的任一值
}

• 循環(huán)約束： 在對隊列或者數(shù)組進行隨機化的時候，可以使用foreach來對其循環(huán)施加約束。

rand int q[$];
constraint c_foreach {
    q.size() inside {[3:8]};
    foreach (q[i]) {
        if (i > 0) q[i] > q[i-1]; // 約束q隊列的下一個值總比上一個值大
    }
}

• 縮位約束： 縮位約束會相對復雜一些，但是很好理解。1. 縮位運算：比如對于數(shù)組arr[5]，arr.sum就是arr[0] + arr[1] + ... + arr[4]。除sum之外，還有product、and、or、xor，分別表示乘積、與、或、異或運算。2. 這些縮減運算的方法的返回值類型，跟隊列或者數(shù)組的元素類型一樣，因此當類型不匹配的時候，需要做類型轉(zhuǎn)換的操作。3. 縮減運算的方法可以可選的加with條件，用來篩選隊列或者數(shù)組中的元素。另外關(guān)鍵字item表示當前的數(shù)組元素，item.index表示當前數(shù)組元素的索引。

rand bit qbit[$];
rand int qint[$];

constraint c_qbit {
    qbit.size() inside {[4:6]};
    (qbit.sum with (int'(item))) == 3; // 將當前元素item轉(zhuǎn)為int類型，并約束所有元素有且只有3個為1
}

constraint c_qint {
    qint.size() inside {[5:9]};
    (qint.sum with ((item.index < 3) ? item : 0)) == 45; // 約束qint隊列的前三個加起來等于45
}

• 靜態(tài)約束： 靜態(tài)約束使用的關(guān)鍵字static跟靜態(tài)變量是一樣的。靜態(tài)約束表示的是所有的對象實例都使用的同一個約束，所以使用constraint_mode()進行開關(guān)控制的時候具有全局性。

class ictalking;
    rand int count;
    static constraint c_count {count > 34;}
endclass

module testbench;
    initial begin        ictalking ict_obj1 = new();        ictalkingict_obj2=new();        ict_obj1.c_count.constraint_mode(0); // 關(guān)掉的之后ict_obj2中的c_count也會失效  ...
     end
endmodule

參考文獻

[1] IEEE Standard Association. "IEEE Standard for SystemVerilog-Unified Hardware Design, Specification, and Verification Language." (2013).