SystemVerilog中線程常用的精細(xì)化控制方法

在計(jì)算機(jī)中存在進(jìn)程和線程的概念，其中進(jìn)程是并發(fā)執(zhí)行的程序在執(zhí)行過程中分配和管理資源的基本單位，線程是進(jìn)程的一個(gè)執(zhí)行單元，是比進(jìn)程還要小的獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。在一個(gè)程序中至少有一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程。進(jìn)程是資源分配最小單位，線程是程序執(zhí)行的最小單位。

計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，會(huì)為程序創(chuàng)建相應(yīng)的進(jìn)程，進(jìn)行資源分配時(shí)，是以進(jìn)程為單位進(jìn)行相應(yīng)的分配。每個(gè)進(jìn)程都有相應(yīng)的線程，在執(zhí)行程序時(shí)，實(shí)際上是執(zhí)行相應(yīng)的一系列線程，過程如下圖所示。

在SystemVerilog中，雖然IEEE中也使用了process和thread，但是在實(shí)際手冊(cè)解釋的過程中，兩個(gè)概念基本上處于互用的狀態(tài)，所以本文統(tǒng)一使用線程進(jìn)行描述說明SystemVerilog中線程常用的精細(xì)化控制方法。

在SystemVerilog中，線程的創(chuàng)建主要有以下幾種方式：

?每一個(gè)initial結(jié)構(gòu)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的線程；

?每一個(gè)final結(jié)構(gòu)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的線程（關(guān)于final用法參考《SystemVerilog中的final是怎么結(jié)束的》）；

?每一個(gè)always、always_comb、always_latch和always_ff結(jié)構(gòu)都會(huì)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的線程；

?fork-join（join_any/join_none）結(jié)構(gòu)中每條并行執(zhí)行的語(yǔ)句塊；

?每一個(gè)動(dòng)態(tài)線程，一般并行執(zhí)行的線程并且不會(huì)阻塞其他線程或者task中其他語(yǔ)句執(zhí)行的線程；

?每一個(gè)連續(xù)賦值語(yǔ)句；

在SystemVerilog中可以通過process來實(shí)現(xiàn)對(duì)于上述線程的控制，而這個(gè)process其實(shí)是SystemVerilog中的一個(gè)內(nèi)建類，通過該類聲明的句柄可以指向特定的線程，從而可以通過該句柄實(shí)現(xiàn)對(duì)于指向線程的訪問控制。process類在SystemVerilog中的定義如下：

雖然process是一個(gè)類，但是這哥們比較特殊，不能被拓展派生，也就是說process不會(huì)有子類的，并且該類在創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，是不能使用new函數(shù)的，process類型句柄指向?qū)ο笫峭ㄟ^process::self()完成的，因此如果用戶需要通過process句柄指向?qū)?yīng)的線程時(shí)需要在對(duì)應(yīng)的線程中調(diào)用process::self()實(shí)現(xiàn)。在process中經(jīng)常用來實(shí)現(xiàn)對(duì)于線程控制的方法主要如下：

?self()返回指向當(dāng)前線程的句柄;

?status()返回當(dāng)前句柄指向線程的狀態(tài)（包含的狀態(tài)有：FINISHED、RUNNING、WAITING、SUSPEND和KILLED等狀態(tài)）;

?kill()終止當(dāng)前句柄指向的線程及其開啟的所有子線程;

?await()等待調(diào)用其的句柄指向的線程執(zhí)行完成，注意不能在調(diào)用其的句柄指向的線程中使用該方法，只能在別的線程中調(diào)用該方法用以阻塞調(diào)用該方法的句柄指向的線程;

?suspend()掛起當(dāng)前句柄指向線程;

?resume()恢復(fù)被掛起的線程;

?srandom()設(shè)置線程的隨機(jī)種子；

上述方法中，kill()、await()、suspend()、resume()只能用于initial、always和fork結(jié)構(gòu)啟動(dòng)的線程。下面將針對(duì)process中這些方法的使用進(jìn)行示例說明。

【示例】

【仿真結(jié)果】

示例中，首先聲明了兩個(gè)句柄p1和p2，在兩個(gè)initial結(jié)構(gòu)中，p1和p2通過調(diào)用“process::self()”實(shí)現(xiàn)p1和p2分別指向其所在的initial結(jié)構(gòu)開啟的線程。

在第一個(gè)initial結(jié)構(gòu)中“@0”時(shí)刻第一個(gè)$display中通過p1.status()方法獲取了當(dāng)前線程的狀態(tài)（log中顯示為RUNNING），然后等待10個(gè)時(shí)間單位后，再次調(diào)用$display()，在其中調(diào)用p1.status()方法獲取了當(dāng)前線程時(shí)刻“@10”的狀態(tài)（log中顯示為RUNNING），再經(jīng)過100個(gè)時(shí)間單位，在時(shí)刻@110再次在$display()中調(diào)用p1.status()方法獲取了當(dāng)前線程的執(zhí)行狀態(tài)（log中顯示為RUNNING），該語(yǔ)句執(zhí)行完后第一個(gè)initial結(jié)構(gòu)開啟的線程執(zhí)行完畢。

第二個(gè)initial結(jié)構(gòu)中，“@0”時(shí)刻第一個(gè)$display中通過p2.status()方法獲取了當(dāng)前線程的狀態(tài)（log中顯示為RUNNING），然后等待10個(gè)時(shí)間單位后，再次調(diào)用$display()，在其中調(diào)用p2.status()方法獲取了當(dāng)前線程時(shí)刻“@10”的狀態(tài)（log中顯示為RUNNING），然后通過p1調(diào)用await()方法，p1.await()后的語(yǔ)句將處于等待p1指向線程執(zhí)行完畢，其后的語(yǔ)句此時(shí)處于阻塞的狀態(tài)，當(dāng)p1指向的線程（也就是第一個(gè)initial結(jié)構(gòu)）在時(shí)刻“@110”執(zhí)行完畢，p1.await()不再阻塞其后語(yǔ)句的執(zhí)行，其后的語(yǔ)句繼續(xù)執(zhí)行，此時(shí)調(diào)用p1.status()顯示的值為p1當(dāng)前的狀態(tài)（log中顯示此時(shí)p1狀態(tài)位FINISHED）。在等待100個(gè)時(shí)間單位，在時(shí)刻“@210”調(diào)用p2.status()時(shí)，p2指向的線程還沒有執(zhí)行完畢，所以其顯示的狀態(tài)仍為RUNNING。上述兩個(gè)線程執(zhí)行的過程如下圖所示。

【示例】

【仿真結(jié)果】

示例中，聲明了三個(gè)process句柄p1、p2和p3.在initial結(jié)構(gòu)中調(diào)用“process::self()”實(shí)現(xiàn)p1指向當(dāng)前的initial結(jié)構(gòu)開啟的線程，然后調(diào)用$display語(yǔ)句通過p1.status()獲取當(dāng)前initial結(jié)構(gòu)開啟線程的執(zhí)行狀態(tài)為RUNNING（該initial結(jié)構(gòu)正在執(zhí)行中）。

fork-join_none結(jié)構(gòu)中所有語(yǔ)句是并行執(zhí)行的，示例中的fork結(jié)構(gòu)中一共有三個(gè)線程，

第一個(gè)線程通過調(diào)用“process::self()”實(shí)現(xiàn)p2指向自己，當(dāng)該方法結(jié)束后，該線程的歷史使命也就結(jié)束了，這里需要注意p2并沒有指向fork。

第二個(gè)線程為一個(gè)begin-end結(jié)構(gòu)，在begin-end中首先通過調(diào)用“process::self()”實(shí)現(xiàn)了p3指向該線程，然后調(diào)用$display中通過p3.status()獲取當(dāng)前線程執(zhí)行狀態(tài)為RUNNING（該begin-end結(jié)構(gòu)還在執(zhí)行中），在等待100個(gè)時(shí)間單位，通過p2.status()和p3.status()獲取當(dāng)前時(shí)刻p2和p3指向線程的執(zhí)行狀態(tài)，因?yàn)閜2指向的線程在調(diào)用“process::self()”完后就執(zhí)行完了，所以p2.status()返回的狀態(tài)位FINISHED，p3.status()獲取的狀態(tài)值仍為RUNNING（其所指向begin-end結(jié)構(gòu)還在執(zhí)行中），再等待100個(gè)時(shí)間單位，通過p2.status()和p3.status()獲取當(dāng)前時(shí)刻p2和p3指向線程的執(zhí)行狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)fork-join_none中并行執(zhí)行的第三個(gè)線程通過p3調(diào)用了kill()方法，所以begin-end結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的線程被kill掉，因此此時(shí)企圖在等待100個(gè)時(shí)間單位再次獲取p2和p3執(zhí)行狀態(tài)的語(yǔ)句不會(huì)執(zhí)行。

第三個(gè)線程為等待190個(gè)時(shí)間單位后調(diào)用p3.kill()，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于fork-join_none中第二個(gè)線程的kill操作。

fork-join_none結(jié)構(gòu)后通過p1.status()獲取p1指向線程的執(zhí)行狀態(tài)為RUNNING（因?yàn)閜1指向的initial結(jié)構(gòu)正在執(zhí)行中）；

在經(jīng)過10個(gè)時(shí)間單位，通過p2.status()和p3.status()獲取當(dāng)前時(shí)刻p2和p3指向線程的執(zhí)行狀態(tài)分別為FINISHED（p2指向線程已經(jīng)執(zhí)行完畢）和WAITING（p3指向線程正在執(zhí)行其中#100，處于延遲阻塞等待狀態(tài)）；

通過p2.kill()企圖kill掉p2指向的線程，實(shí)際上此時(shí)p2指向的線程已經(jīng)執(zhí)行完畢，所以并不會(huì)影響p2指向線程的狀態(tài)，所以此時(shí)在p2.kill()后通過p2.status()和p3.status()獲取當(dāng)前時(shí)刻p2和p3指向線程的執(zhí)行狀態(tài)仍為FINISHED（p2指向線程已經(jīng)執(zhí)行完畢）和WAITING（p3指向線程還在執(zhí)行其中#100，處于延遲阻塞等待狀態(tài)）；

在經(jīng)過210個(gè)時(shí)間單位，通過p1.status()、p2.status()和p3.status()獲取當(dāng)前時(shí)刻p1、p2和p3指向線程的執(zhí)行狀態(tài)為RUNNING（p1指向的initial結(jié)構(gòu)正在執(zhí)行中）、FINISHED（p2指向線程已經(jīng)執(zhí)行完畢）和KILLED（p3指向的線程執(zhí)行完之前，在fork-join_none結(jié)構(gòu)中等待190個(gè)時(shí)間單位時(shí)已經(jīng)被kill掉了，所以此時(shí)狀態(tài)位KILLED）；上述線程執(zhí)行過程如下圖所示。

【示例】

【仿真結(jié)果】

示例中，p通過“process::self()”指向了當(dāng)前的線程，通過$display顯示了p.status()為RUNNING，等待100個(gè)時(shí)間單位，企圖通過p.status()顯示p的狀態(tài)，但是在這100個(gè)時(shí)間單位等待到其中的20個(gè)時(shí)間單位時(shí)，另外一個(gè)initial結(jié)構(gòu)中仿真開始等待的20個(gè)時(shí)間單位后調(diào)用了p.suspend()，即此時(shí)將p指向的線程掛起，所以此時(shí)p指向的線程這時(shí)處于掛起等待狀態(tài)，$display顯示了p.status()為SUSPEND，在再等待30個(gè)時(shí)間單位，調(diào)用p.resume()將之前掛起的p指向的線程返回，因?yàn)楫?dāng)前線程并未阻塞，所以當(dāng)前線程繼續(xù)執(zhí)行，$display顯示了p.status()為WAITING，當(dāng)前initial執(zhí)行完后，p指向的線程再次開始繼續(xù)之前暫停的執(zhí)行。

再等待80個(gè)時(shí)間單位（之前100個(gè)時(shí)間單位計(jì)時(shí)20個(gè)時(shí)間單位后還剩下80個(gè)時(shí)間單位未計(jì)時(shí)）調(diào)用$display顯示了p.status()為RUNNING，再等待100個(gè)時(shí)間單位后調(diào)用$display顯示了p.status()仍為RUNNING。上述線程執(zhí)行過程如下圖所示。

通過示例可以看到，await是用來等待一個(gè)線程執(zhí)行完成后返回的，而suspend則用來將一個(gè)線程手動(dòng)掛起，其解除必須通過resume()來完成，并不一定要等到線程執(zhí)行完畢。

上述通過示例展示了process中常用方法的使用，其實(shí)在UVM中對(duì)于線程的控制大多都是通過process完成的，如下例中run_phase的執(zhí)行。

當(dāng)我們執(zhí)行run_test時(shí)，實(shí)際上在run_test這個(gè)task中聲明了一個(gè)process句柄phase_runner_proc，這個(gè)句柄在425行通過“process::self()”指向了當(dāng)前fork-join_none結(jié)構(gòu)中的一個(gè)線程，這個(gè)線程就是fork-join_none中的begin-end。當(dāng)后續(xù)的m_run_phases()執(zhí)行完成后,wait等到了m_phase_all_done拉高，表明當(dāng)前的run_phases執(zhí)行完畢，然后通過phase_runner_proc.kill()將fork-join_none中開啟的線程及其所有子線程都kill掉，相當(dāng)于打掃戰(zhàn)場(chǎng)，從而通過process實(shí)現(xiàn)了對(duì)于fork-join_none中線程及其所有子線程的控制操作。

審核編輯：劉清