數(shù)字硬件建模SystemVerilog之Interface方法概述

概述

SystemVerilog Interface是modport的一種，但比簡單的輸入、輸出或輸入輸出端口的功能更多。在其最簡單的形式中，Interface端口將相關(guān)的信號捆綁在一起作為一個(gè)單一的復(fù)合端口。例如，構(gòu)成AMBA AXI總線的所有單個(gè)信號都可以被歸納為一個(gè)Interface端口。一個(gè)Interface可以做的不僅僅是封裝總線信號。SystemVerilog Interface為設(shè)計(jì)者提供了一種集中總線功能的方法，而不是將功能分散在設(shè)計(jì)中的幾個(gè)模塊中。這就模擬了設(shè)計(jì)工程師在RTL層面的工作，并讓綜合工作在整個(gè)設(shè)計(jì)中適當(dāng)?shù)胤峙溟T級總線硬件。

當(dāng)遵循特定的建模準(zhǔn)則和限制時(shí)，Interface是可以綜合的。Interface也可以用在不可綜合級別的建模，并作為驗(yàn)證測試平臺的一部分。先進(jìn)的驗(yàn)證方法，如UVM 、OVM和VMM，都使用Interface。

Interface方法（任務(wù)和函數(shù)）

SystemVerilog Interface的作用不僅僅是將相關(guān)的信號組合在一起。Interface還可以封裝模塊間的通信功能。通過將通信功能添加到Interface中，每個(gè)使用該Interface的模塊可以簡單地引用該功能，而不必在每個(gè)模塊中重復(fù)該功能。Interface中的封裝功能也可以獨(dú)立于使用該Interface的模塊進(jìn)行驗(yàn)證。

Interface中封裝的功能可以通過使用任務(wù)和函數(shù)來定義。Interface中的任務(wù)和函數(shù)被稱為Interface方法(interface methods)。Interface方法（任務(wù)和函數(shù)）可以通過在模塊的modport定義中使用導(dǎo)入語句被導(dǎo)入到需要它們的模塊中。在modport中導(dǎo)入函數(shù)類似于從包中導(dǎo)入函數(shù)。

下面的例子給簡單的AHB Interface增加了兩個(gè)函數(shù)--一個(gè)是生成奇偶校驗(yàn)位值（使用奇數(shù)校驗(yàn)），另一個(gè)函數(shù)是檢查數(shù)據(jù)是否與計(jì)算出的奇偶校驗(yàn)相符。hwdata和hrdata向量被聲明為比以前的例子寬1位，額外的位被用作奇偶校驗(yàn)位。

例10-6：帶有奇偶性邏輯Interface方法（函數(shù)）的Interface

///////////////////////////////////////////////////////////
//SimpleAHBInterfacewithparitymethods
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
interfacesimple_ahb(
inputlogichclk,//bustransferclk
inputlogichresetN//busreset,activelow
);
logic[31:0]haddr;//transferstartaddress
logic[32:0]hwdata;//datatoslave,withparitybit
logic[32:0]hrdata;//datafromslave,withparitybit
logic[2:0]hsize;//transfersize
logichwrite;//1forwrite,0forread
logichready;//1fortransferfinished

functionautomaticlogicparity_gen(logic[31:0]data);
return(^data);//calculateparityofdata(oddparity)
endfunction

functionautomaticlogicparity_chk(logic[31:0]data,
logicparity);
return(parity===^data);//1=OK,0=parityerror
endfunction

//mastermoduleportdirections
modportmaster_ports(
outputhaddr,hwdata,hsize,hwrite,//toAHBslave
inputhrdata,hready,//fromAHBslave
inputhclk,hresetN,//fromchiplevel
importparity_gen,parity_check//functionimport
);

//slavemoduleportdirections
modportslave_ports(
outputhrdata,hready,//toAHBmaster
inputhaddr,hwdata,hsize,hwrite,//fromAHBmaster
inputhclk,hresetN,//fromchiplevel
importparity_check//functionimport
);

//slavemoduleportdirections
modportslave_ports_alt(
outputhrdata,hready,//toAHBmaster
inputhaddr,hwdata,hsize,hwrite,//fromAHBmaster
inputhclk,hresetN,//fromchiplevel
importfunctionlogicparity_chk(logic[31:0]data,
logicparity)
);
endinterface:simple_ahb
//`end_keywords

在這個(gè)例子中，master_ports 的modport定義同時(shí)導(dǎo)入了parity_gen 和 parity_chk。modport從主模塊的角度定義了端口方向和導(dǎo)入。因此，一個(gè)使用master_portsmodport的模塊正在導(dǎo)入這些函數(shù)，類似于一個(gè)模塊從包中導(dǎo)入函數(shù)的方式。

slave_portsmodport只導(dǎo)入parity_chk。一個(gè)使用slave_ports modport的模塊不能訪問parity_gen。因?yàn)檫@個(gè)方法沒有被包含在modport 的導(dǎo)入中，所以從 slave_ports 提供的Interface來看，這個(gè)方法就好像不存在一樣。

使用方法原型導(dǎo)入方法。作為選擇，modport導(dǎo)入聲明可以指定任務(wù)或函數(shù)參數(shù)的完整原型。而不是僅僅導(dǎo)入方法名，導(dǎo)入關(guān)鍵字后面是實(shí)際方法定義的聲明行。這種風(fēng)格的導(dǎo)入聲明的基本語法是:

modport（import task（））。
modport(importfunction())。

比如說。

函數(shù)原型不包括automatic關(guān)鍵字，即使實(shí)際的函數(shù)被聲明為automatic（這是綜合所需要的）。

使用完整的原型來導(dǎo)入一個(gè)方法并沒有什么好處。一些工程師認(rèn)為，完整的原型可以直接記錄任務(wù)或函數(shù)的參數(shù)，作為?？诼暶鞯囊徊糠?。當(dāng)實(shí)際的任務(wù)或函數(shù)被定義在一個(gè)包中，并被導(dǎo)入到Interface中時(shí)，這種額外的代碼記錄會(huì)很方便。原型使方法類型和參數(shù)在Interface定義中可見，這樣工程師就不需要到包含包的文件中去看方法類型和參數(shù)。

調(diào)用Interface中定義的方法

導(dǎo)入的方法是Interface的一部分，通過使用Interface端口名稱來調(diào)用，與引用Interface中的信號的方式相同。語法是

.。

前面展示的主模塊有一個(gè)名為ahb 的 Interface端口 。因此，主模塊可以通過引用ahb.parity_gen來調(diào)用Interface parity_gen方法。例如：

always_ff@(posedgeahb.hclk)
 ahb.hwdata[32]<= ahb.parity_gen(ahb.hwdata[31:0])。

綜合Interface方法

從概念上講，綜合編譯器通過在模塊中創(chuàng)建該方法的本地副本來替換導(dǎo)入的方法，然后對該本地副本進(jìn)行綜合。綜合后的模塊版本將包含導(dǎo)入方法的邏輯，而不再從Interface中獲取該功能。

綜合編譯器對放置在模塊中的Interface內(nèi)容施加了同樣的RTL編碼限制。這些限制之一是，任務(wù)必須在零時(shí)間內(nèi)執(zhí)行。使用void函數(shù)而不是任務(wù)來執(zhí)行這個(gè)綜合限制。

一個(gè)automatic函數(shù)或任務(wù)在每次被調(diào)用時(shí)都會(huì)分配新的存儲(chǔ)空間。當(dāng)一個(gè)模塊調(diào)用一個(gè)導(dǎo)入的方法時(shí)，所有內(nèi)部存儲(chǔ)的新副本被分配。這允許綜合處理該方法，就好像它是模塊內(nèi)的一個(gè)本地副本。

抽象的、不可綜合的Interface

SystemVerilog Interface能夠以比RTL綜合編譯器所支持的更高的抽象水平來表示總線協(xié)議。例如，一個(gè)Interface任務(wù)，可能需要多個(gè)時(shí)鐘周期來執(zhí)行，可以代表一個(gè)完整的主從握手協(xié)議。該協(xié)議可以從主機(jī)發(fā)出傳輸請求開始，仲裁哪個(gè)從機(jī)收到請求，等待從機(jī)的反饋，傳輸數(shù)據(jù)，并收到數(shù)據(jù)被接收的確認(rèn)信息。

這些Interface功能對抽象的事務(wù)級建模很有用，但目前的RTL綜合編譯器不支持。目前的SystemVerilog綜合工具要求將Interface中編碼的功能限制為零延遲和零時(shí)鐘周期模型。這些綜合限制可以通過將Interface中定義的功能代碼限制為函數(shù)來滿足。SystemVerilog的語法規(guī)則要求函數(shù)必須在零模擬時(shí)間內(nèi)執(zhí)行，這就要求綜合器對零延遲Interface功能的要求。

一個(gè)Interface也可以包含驗(yàn)證程序和斷言。這些驗(yàn)證代碼可以通過將其包含在pragma中而隱藏起來。

//synthesistranslateoffand//synthesistranslateon.

Interface程序代碼

除了任務(wù)和函數(shù)方法，Interface還可以包含初始和always程序塊和assign。程序代碼可以用來在一個(gè)Interface內(nèi)建立功能模型，這些功能會(huì)影響到在Interface所代表的總線上交流的信息。

例10-7為簡單AHB總線增加了一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器hclk，為總線增加了一個(gè)復(fù)位同步器hresetN。在這個(gè)Interface的前幾個(gè)例子中，這些信號是在Interface的外部產(chǎn)生的，并作為簡單AHB Interface的輸入端口傳入。這個(gè)例子用芯片（或系統(tǒng)）級的時(shí)鐘和復(fù)位取代了這些輸入，并使用這些芯片級的信號來產(chǎn)生本地總線時(shí)鐘和總線復(fù)位。這個(gè)本地功能然后成為主模塊和從模塊之間封裝的總線通信的一部分。

例10-7：與內(nèi)部程序代碼的Interface，生成總線功能

///////////////////////////////////////////////////////////
//SimpleAHBInterfacewithclockgeneratorandreset
//synchronizerproceduralcode
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
interfacesimple_ahb(
inputlogicchip_clk,//externalclockfromthechip
inputlogicchip_rstN//busreset,activelow
);
logichclk;//localbustransferclk
logichresetN;//localbusreset,activelow
logic[31:0]haddr;//transferstartaddress
logic[31:0]hwdata;//datasenttoslave
logic[31:0]hrdata;//returndatafromslave
logic[2:0]hsize;//transfersize
logichwrite;//1forwrite,0forread
logichready;//1fortransferfinished

//generateAHBclock(divide-by-twoofchip_clk)
always_ff@(posedgechip_clkornegedgechip_rstN)
if(!chip_rstN)hclk<=?'0;
????else????????????hclk?<=?~hclk;

??//?sync?trailing?edge?of?hresetN?to?hclk
??logic?rstN_tmp;?//?temp?variable?used?inside?the?interface
??always_ff?@(posedge?hclk?or?negedge?chip_rstN)
????if?(!chip_rstN)?begin???//?asynchronous?active-low?reset
??????rstN_tmp?<=?'0;
??????hresetN??<=?'0;
????end?
????else?begin?
??????rstN_tmp?<=?'1;???????//?begin?end?of?reset
??????hresetN??<=?rstN_tmp;?//?stabilize?reset
????end?

??//?master?module?port?directions
??modport?master_ports?(
????output?haddr,?hwdata,?hsize,?hwrite,?//?to?AHB?slave
????input??hrdata,?hready,???????????????//?from?AHB?slave
????input??hclk,?hresetN?????????????????//?from?chip?level
??);

??//?slave?module?port?directions
??modport?slave_ports?(
????output?hrdata,?hready,???????????????//?to?AHB?master
????input??haddr,?hwdata,?hsize,?hwrite,?//?from?AHB?master
????input??hclk,?hresetN?????????????????//?from?chip?level
??);
endinterface:?simple_ahb
//`end_keywords?

綜合Interface程序。綜合編譯器如何處理Interface中的程序代碼并沒有很好的定義，這與Interface方法（任務(wù)和函數(shù)）的情況不同。方法的綜合是通過在概念上將方法代碼復(fù)制到具有Interface端口的模塊中，并對本地副本進(jìn)行綜合。這可以做到，因?yàn)榉椒ㄊ菑哪K內(nèi)調(diào)用的，執(zhí)行起來就像方法是該模塊的一部分。然而，程序代碼是從Interface內(nèi)執(zhí)行的，并影響到所有使用該Interface的模塊。Interface中的程序代碼類似于全局功能，綜合編譯器并不支持這種功能，如果有的話。

綜合編譯器對Interface內(nèi)的程序代碼的支持并不充分。如果支持的話，不同的綜合編譯器對程序性代碼的處理方式也可能大相徑庭。

參數(shù)化的Interface

Interface可以用與模塊相同的方式使用參數(shù)重定義。這使得Interface模型可以被配置，因此Interface的每個(gè)實(shí)例可以有不同的配置。通過使用SystemVerilog的參數(shù)重定義結(jié)構(gòu)，參數(shù)可以在Interface中使用，使向量大小和Interface中的其他聲明可以重新配置。當(dāng)Interface被實(shí)例化時(shí)，Interface的參數(shù)值可以被重新細(xì)化，這與模塊重新定義的方式相同。

下面是簡單AHB例子的變化，增加了參數(shù)，使數(shù)據(jù)矢量寬度在Interface實(shí)例化時(shí)可以配置。任何與Interface實(shí)例相連的模塊間面端口將使用該Interface實(shí)例的向量大小。

例10-8：具有可配置總線數(shù)據(jù)字大小的參數(shù)化Interface

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//SimpleAHBInterfacewithpareterizedbuswidths
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
interfacesimple_ahb
#(parameterDWIDTH=32)//Databuswidth
(
inputlogichclk,//bustransferclk
inputlogichresetN//busreset,activelow
);
logic[31:0]haddr;//transferstartaddress
logic[DWIDTH-1:0]hwdata;//datasenttoslave
logic[DWIDTH-1:0]hrdata;//returndatafromslave
logic[2:0]hsize;//transfersize
logichwrite;//1forwrite,0forread
logichready;//1fortransferfinished

//mastermoduleportdirections
modportmaster_ports(
outputhaddr,hwdata,hsize,hwrite,//toAHBslave
inputhrdata,hready,//fromAHBslave
inputhclk,hresetN//fromchiplevel
);

//slavemoduleportdirections
modportslave_ports(
outputhrdata,hready,//toAHBmaster
inputhaddr,hwdata,hsize,hwrite,//fromAHBmaster
inputhclk,hresetN//fromchiplevel
);
endinterface:simple_ahb
//`end_keywords

下面的代碼片斷將例10-8中Interface的數(shù)據(jù)字大小重新定義為64位字大小。

simple_ahb#(.DWIDTH(64))

ahbl(.hclk,
.hresetN
);

綜合Interface

Interface是SystemVerilog在原有的Verilog HDL中加入的一個(gè)強(qiáng)大的建模結(jié)構(gòu)。Interface端口是從傳統(tǒng)的Verilog模型中抽象出來的，在傳統(tǒng)的Verilog模型中，一組相關(guān)的信號必須每次都要聲明一個(gè)信號。這些單獨(dú)的聲明必須在每個(gè)使用相關(guān)信號的模塊以及連接模塊的塊級中重復(fù)進(jìn)行。

在其最基本的形式中，SystemVerilog Interface將相關(guān)信號封裝在一起，作為一個(gè)可重復(fù)使用的建模組件。然后，該Interface可以作為模塊上的一個(gè)端口，取代一組相關(guān)信號的多個(gè)單獨(dú)端口。Interface所提供的建模抽象可以成為RTL設(shè)計(jì)工程師的強(qiáng)大工具。設(shè)計(jì)師可以一次性定義一組相關(guān)的信號，作為一個(gè)Interface，然后可以多次使用這些信號，而不必重復(fù)定義。

綜合編譯器能很好地處理使用Interface來封裝相關(guān)信號的問題。設(shè)計(jì)工程師可以在更高的抽象水平上工作--具有抽象的所有優(yōu)點(diǎn)--綜合編譯器將信號的抽象封裝轉(zhuǎn)化為各個(gè)模塊的端口，工程師不需要為各個(gè)端口的聲明而煩惱，并確保多個(gè)模塊中冗余的聲明完全匹配。

綜合編譯器支持兩種方式，即在端口聲明中指定與模塊一起使用的modport，或者在模塊例化時(shí)指定modport。然而，如果一個(gè)模塊是獨(dú)立于其他模塊綜合的，則必須在端口聲明中指定modport。

當(dāng)一個(gè)模塊獨(dú)立于其他模塊進(jìn)行綜合時(shí)，或者在綜合編譯器配置為保留RTL模塊層次的情況下綜合多個(gè)模塊時(shí)，綜合編譯器將把一個(gè)模塊的Interface端口擴(kuò)展為modport定義中代表的各個(gè)端口。大多數(shù)綜合編譯器將使用Verilog-1995的端口聲明風(fēng)格，其中端口列表包含端口名稱和順序，而端口大小和數(shù)據(jù)類型在模塊內(nèi)部聲明，而不是在端口列表中。一個(gè)模塊可以有任意數(shù)量的Interface端口，Interface端口可以與其他端口以任意順序指定。本文中的例子將Interface端口列在前面，只是為了強(qiáng)調(diào)Interface端口的作用。

下面的代碼片斷顯示了一個(gè)主模塊可能的綜合前和綜合后的模塊定義，該模塊使用簡單ahb Interface。

預(yù)綜合modport列表，有一個(gè)Interface端口。

綜合后模型，使用Verilog-1995編碼風(fēng)格。下面的綜合后例子說明了一個(gè)Interface端口如何綜合的典型結(jié)果。

如果指定了一個(gè)modport的定義，綜合將使用modport中指定的方向。如果在模型綜合時(shí)沒有指定modport，那么在綜合的模塊中，Interface內(nèi)的所有信號都會(huì)成為雙向的inout端口。

可配置的Interface與可配置的模塊一樣，都是可綜合的。Interface可以使用參數(shù)來配置總線寬度和數(shù)據(jù)類型。Interface也可以用同樣的方式進(jìn)行配置。

Interface也可以通過使用方法（任務(wù)和函數(shù)）和程序代碼來封裝與這些信號有關(guān)的功能。Interface中的函數(shù)是可以綜合的。這可能很有用，RTL設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該利用這種綜合能力。將函數(shù)與它們所操作的信號封裝在一起，是編寫穩(wěn)健、可重復(fù)使用的代碼的最佳實(shí)踐編碼方式。

在編寫本文時(shí)，現(xiàn)有的RTL綜合編譯器在支持使用Interface來封裝使用任務(wù)和程序代碼的功能方面有些局限。

例如，有可能在一個(gè)Interface內(nèi)封裝FIFO的全部功能，這將允許使用封裝信號的模塊在不同的時(shí)鐘速度下運(yùn)行而不損失任何數(shù)據(jù)。完整的糾錯(cuò)功能以及與一組信號相關(guān)的其他復(fù)雜操作也可以與這些信號捆綁在一起。這種更高級的封裝水平不被大多數(shù)綜合編譯器所支持，或只有有限的支持。這些限制限制了程序性代碼在Interface中的實(shí)用性。

Interface也可以捆綁驗(yàn)證代碼，例如為封裝的信號和功能提供斷言和自我檢查程序。Interface中的驗(yàn)證相關(guān)代碼可以被綜合編譯器使用綜合translate_off和trans1ate_on pragmas或'if def條件編譯忽略。

審核編輯：劉清