SystemVerilog里的regions以及events的調(diào)度

1. 前言

本文講一下SystemVerilog的time slot里的regions以及events的調(diào)度。SystemVerilog語(yǔ)言是根據(jù)離散事件執(zhí)行模型定義的，由events驅(qū)動(dòng)。SystemVerilog描述是由連接的執(zhí)行thread或processes組成。Process是可衡量的，也具有狀態(tài)，并且可以響應(yīng)輸入的變化以產(chǎn)生輸出。Process是并發(fā)調(diào)度的元素，例如initial，process其實(shí)還包括了always, always_comb, always_latch, always_ff, contiguous assignment, asynchronous tasks和procedural assignment statement。

SystemVerilog是一種并行編程語(yǔ)言，我們需要重點(diǎn)了解哪些執(zhí)行順序?qū)τ脩羰怯斜ＷC的，哪些執(zhí)行順序是不確定的。這塊內(nèi)容比較晦澀難懂，但要是理解了regions和events的調(diào)度，對(duì)我們寫(xiě)代碼和調(diào)試會(huì)有極大的幫助，而且也更了解EDA工具的執(zhí)行機(jī)制。

2. Event的定義

在仿真系統(tǒng)中net或variable的狀態(tài)的任何更改，都被視為更新事件(update event)。Processes對(duì)upate event是敏感的。當(dāng)一個(gè)update event發(fā)生時(shí)，所有對(duì)該event敏感的processes都會(huì)被當(dāng)作以任意順序進(jìn)行評(píng)估。Process的評(píng)估也是一個(gè)event，稱作評(píng)估事件(evaluation event)。Evaluation events包括PLI callbacks，這些callbacks是執(zhí)行模型中的節(jié)點(diǎn)，PLI應(yīng)用程序可以從仿真內(nèi)核調(diào)用。所以，這些events會(huì)在不同的regions中發(fā)生。

3. Region的定義

為了支持清晰和可預(yù)測(cè)的交互，將單個(gè)time slot劃分為多個(gè)region，events就被以確定的執(zhí)行順序安排到這些regions中，這就允許DUT代碼和驗(yàn)證代碼之間可預(yù)測(cè)的交互。在特定時(shí)間的所有scheduled events定義了1個(gè)time slot。在移動(dòng)到下一個(gè)time slot之前，仿真按照時(shí)間順序進(jìn)行并刪除掉當(dāng)前仿真時(shí)間slot中的所有events，從而使得仿真前進(jìn)。這個(gè)過(guò)程保證了仿真器不會(huì)在時(shí)間上倒退。一個(gè)time slot可以被劃分為一組有序的regions，有：Preponed，Pre-Active，Active，Inactive，Pre-NBA，NBA，Post-NBA，Pre-Observed，Observed，Post-Observed，Reactive，Re-Inactive，Pre-Re-NBA，Re-NBA，Post-Re-NBA，Pre-Postponed，Postponed。如圖1。

圖1 time slot執(zhí)行流程圖

其中Active, Inactive, Pre-NBA, NBA和Post-NBA regions中scheduled events稱為active region set events。Reactive, Re-Inactive, Pre- Re-NBA, Re-NBA和Post-Re-NBA regions中scheduled events稱為reactive region set events。

Active, Inactive, Pre-NBA, NBA, Post-NBA, Pre-Observed, Observed, Post- Observed, Reactive, Re-Inactive, Pre-Re-NBA, Re-NBA, Post-Re-NBA和Pre-Postponed regions被稱為iterative regions。

除了active region set和reactive region set，每個(gè)time slot的event regions可以分為simulation regions和PLI regions。圖1中，圓角長(zhǎng)方形的屬于simulation regions。橢圓形的屬于PLI regions。

4. Events調(diào)度參考算法

當(dāng)仿真開(kāi)始時(shí)，先初始化所有nets和variables的初始值，并在0 time slot上開(kāi)始調(diào)度初始化events。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)有非空的time slot時(shí)，也就是time slot里有scheduled event。它會(huì)去執(zhí)行第一個(gè)非空的time slot，就開(kāi)始按照?qǐng)D1的流程圖順序執(zhí)行各個(gè)region。當(dāng)進(jìn)入1個(gè)region內(nèi)時(shí)，找到當(dāng)前region內(nèi)的scheduled event，判斷event類型，如果是update event類型，更新這個(gè)event對(duì)象，且為對(duì)該event對(duì)象敏感的任何process安排evaluation event；如果是evaluation event類型，評(píng)估與這event相關(guān)的process，并可能安排進(jìn)一步執(zhí)行的events。

Time slot里的這些region中，Prepone、Pre-Active和Postponed只會(huì)執(zhí)行一次。其它的region，具體要看event的情況，可能會(huì)執(zhí)行多次。不過(guò)總體遵循這個(gè)流程：

1. 順序處理Prepone和Pre-Active region。
2. 處理從Active到Post-Observed的region，會(huì)從里面找到第一個(gè)有非空event的region處理，直至全部event處理完且刪掉。需要注意的是，如果在NBA region的觸發(fā)了一個(gè)需要在Active region處理的event，那么會(huì)從NBA跳回Active region去處理，然后按順序繼續(xù)尋找第一個(gè)有非空event的region。
3. 當(dāng)步驟2的regions全部處理好之后，會(huì)開(kāi)始處理從Reactive到Post_Re-NBA region，也是類似的，會(huì)從里面找到第一個(gè)有非空event的region處理，直至全部處理完畢。
4. 當(dāng)步驟3的region也全部處理完之后，會(huì)再重新判斷下從Active到Post Re-NBA region是否還有未處理的，如果有就又要從第一個(gè)非空event的region處理，如果沒(méi)有就執(zhí)行Pre-Postponed region。5. 當(dāng)步驟2-4里的都沒(méi)有非空event的region后，處理Postponed region。6. 步驟5處理完之后，就進(jìn)入到下一個(gè)time slot了。

5. Regions調(diào)度的events類別

Time slot的simulation regions包含了Preponed, Active, Inactive, NBA, Observed, Reactive, Re-Inactive, Re-NBA和Postponed regions。再根據(jù)active region set和reactive region set的劃分，我們可以將一個(gè)time slot的simulation regions分為五個(gè)主要region：Preponed、Active、Observed、Reactive和Postponed。Active和Reactive可以進(jìn)一步細(xì)分為小的regions。如圖2所示。

圖2 Simulation regions

這五大regions里調(diào)度的events有：

Prepone： 在一個(gè)time slot內(nèi)，Prepone region只會(huì)執(zhí)行一次，當(dāng)仿真時(shí)間進(jìn)入當(dāng)前time slot時(shí)，它是第一個(gè)被執(zhí)行的region。驗(yàn)證環(huán)境采樣DUT的信號(hào)就發(fā)生在這個(gè)region。我們平時(shí)在采樣DUT信號(hào)時(shí)，會(huì)指定#1step采樣延遲，#1step采樣延遲提供了在進(jìn)入當(dāng)前time slot之前立即采樣信號(hào)的能力。#1step采樣相當(dāng)于在當(dāng)前time slot的Prepone中采樣信號(hào)。所以在Preponed region的采樣相當(dāng)于前一個(gè)time slot Postponed region的采樣。Preponed region PLI events也在這里調(diào)度。

Active： Active包含了幾個(gè)小的regions：active，inactive和NBA(nonblocking assignment update) regions。

• Active region進(jìn)行當(dāng)前active region set events的評(píng)估求值，并且這些events會(huì)被任意處理。RTL代碼和行為代碼(behavioral code)被安排在active region。所有blocking assignments語(yǔ)句在Active region執(zhí)行。對(duì)于nonblocking assignments，RHS的評(píng)估求值發(fā)生在Active region，而賦值發(fā)生在NBA region。如果有任何#0延遲的assignment，那么這些assignment發(fā)生在Inactive region。(注意：#0延遲的RHS是在inactive region是算的)
• Inactive region進(jìn)行處理完所有active events后要評(píng)估的events。顯式的#0延遲控制要求將這個(gè)event安排到當(dāng)前time slot的inactive region進(jìn)行，以便在下一個(gè)inactive到active迭代中恢復(fù)process。
• NBA region進(jìn)行處理完所有inactive events后要評(píng)估的events。Nonblocking assignment會(huì)在當(dāng)前或以后仿真時(shí)間的NBA region中創(chuàng)建events。

Observed： Observed用于觸發(fā)property expressions(用于concurrent assertions)時(shí)對(duì)其求值。在property求值后，pass/fail的信息將在當(dāng)前time slot的Reactive region報(bào)告出來(lái)。

Reactive： Reactive包含了Re-active，Re-inactive和Re-NBA regions。

Re-active進(jìn)行當(dāng)前reactive region set的評(píng)估求值，并且可以以任何順序進(jìn)行處理。Program blocks的blocking assignments、#0 blocking assignments的RHS求值和nonblocking assignment的RHS求值發(fā)生在re-active region。另外，concurrent assertions的action blocks的代碼也是在re-active region調(diào)度的。Re-active region和active region其實(shí)是對(duì)偶關(guān)系的。只不過(guò)active處理design，re-active處理program。

Re-inactive進(jìn)行處理完所有re-active events后要評(píng)估的events。Program里顯示的#0延遲控制要求將這個(gè)event安排到當(dāng)前time slot的re-inactive region進(jìn)行，以便在下一個(gè)inactive到active迭代中恢復(fù)process。同樣的，它也是inactive region的對(duì)偶關(guān)系。
Re-NBA進(jìn)行處理完所有re-inactive events后要評(píng)估的events。Program里nonblocking assignment會(huì)在當(dāng)前或以后仿真時(shí)間的re-NBA region中創(chuàng)建events。

Postponed： postponed是當(dāng)前time slot的最后1個(gè)region。**monitor, **strobe和其它相似的events會(huì)安排在這個(gè)region執(zhí)行 (注意$display event是在active region和reactive region(如果在program里調(diào)用)執(zhí)行的)。一旦到達(dá)postponed region，就不允許在當(dāng)前time slot中發(fā)生新的值更改。在此region內(nèi)，向任何net或variable進(jìn)行寫(xiě)入值或在當(dāng)前region調(diào)度任何先前region的event都是非法的。Postponed region PLI events也在這里調(diào)度。

在一個(gè)time slot里，除了上述介紹的simulation regions，還有PLI regions，在PLI regions里會(huì)去調(diào)度PLI callback。PLI regions有Preponed, Pre-Active, Pre-NBA, Post-NBA, Pre-Observed, Post-Observed, Pre-Re-NBA, Post-Re-NBA 和Pre-Postponed regions。它是圖1中的橢圓型部分。本文重點(diǎn)講述simulation regions，這里就不介紹PLI regions了。

6. SystemVerilog里的確定和不確定調(diào)度順序

以下場(chǎng)景必須有確定的調(diào)度順序：

begin-end塊中的語(yǔ)句應(yīng)該按照它們?cè)谠揵egin-end塊中出現(xiàn)的順序執(zhí)行?？梢詴和Ｌ囟╞egin-end塊中語(yǔ)句的執(zhí)行，以利于模型中的其它進(jìn)程；但是在任何情況下，begin-end塊中的語(yǔ)句都不得以它們?cè)谠创a中出現(xiàn)的順序以外的任何順序執(zhí)行。
NBAs語(yǔ)句應(yīng)按照語(yǔ)句執(zhí)行的順序執(zhí)行。
舉個(gè)例子：

module test;
    logic a;
    initial begin
        a <= 0;
        a <= 1;
    end
endmodule

當(dāng)執(zhí)行initial塊時(shí)，將會(huì)有兩個(gè)event被添加到NBA region。前面的規(guī)則要求它們按照?qǐng)?zhí)行順序進(jìn)入event region，在連續(xù)的begin-end塊中，這是初始順序。該規(guī)則要求它們?nèi)BA region也按照這個(gè)順序執(zhí)行。因此，在仿真時(shí)間0結(jié)束時(shí)，變量a將被賦值為0，然后賦值為1。

在以下場(chǎng)景時(shí)，執(zhí)行的順序是不確定的：

Active events可以從active或re-active event region中取出，并以任何順序進(jìn)行處理。

過(guò)程塊(procedural block)中沒(méi)有時(shí)間控制結(jié)構(gòu)的語(yǔ)句不必作為一個(gè)event執(zhí)行。時(shí)間控制語(yǔ)句是指#expression和@expression結(jié)構(gòu)。在評(píng)估過(guò)程語(yǔ)句時(shí)的任何時(shí)候，仿真器都可以暫停執(zhí)行并將部分完成的事件作為待處理事件放置在event region中。 這樣做的效果是允許進(jìn)程執(zhí)行的交錯(cuò)，盡管交錯(cuò)執(zhí)行的順序是不確定的并且不受用戶控制。