SV绿皮书笔记（七）

第七章. 线程以及线程间的通信

在实际硬件中，时序逻辑通过时钟沿来激活，而组合逻辑的输出则随着输入的变化而变化。所有这些并发的活动在V的寄存器传输级上是通过initial和always块语句，实例化和连续赋值语句来模拟的。为了模拟和检验这些语句块，测试平台使用许多并发的线程。在测试平台的环境里，大多数语句块被模拟成事务处理器，并运行在各自的线程里。

每个线程都会跟相邻的线程通信，因此需要借助线程间的通信（IPC）来完成。常见的线程间通信有标准的V事件（event），事件控制，wait语句，SV信箱和旗语等。

7.1 线程的使用

虽然所有的线程结构都可以用在模块和程序块中，但实际上测试平台隶属于程序块，代码总是在initial块中启动，从0时刻开始执行。虽然always块不能放在程序块中，但是，通过在initial块内引入forever循环便可以轻松解决这个问题。

标准的V对语句有两种分组方式，begin...end块和fork...join块。begin…end块内的语句以顺序的方式执行，fork…join中的语句以并行方式执行。由于fork...join块内的所有语句都执行完后才能继续执行后续处理，因此在V的测试平台中很少用它。

SV引入了两种新的创建线程的方法，使用fork...join_none和fork...join_any语句。测试平台通过已有的结构如事件，@事件控制，wait和disable语句，以及新的语言元素（如旗语和信箱）来实现线程间的通信，同步以及对线程的控制。

7.1.1 使用fork…join和begin…end语句

//fork...join和begin...end的嵌套
initial
begin$display("@%0t: start for...join example", $time);#10 $display("@%0t: sequential after #10", $time);fork$display("@%0t: parallel start", $time);#50 $display("@%0t: parallel after #50", $time);#10 $display("@%0t: parallel after #10", $time);begin#30 $display("@%0t: sequential after #30", $time);#10 $display("@%0t: sequential after #10", $time);endjoin$display("@%0t: after join", $time);#80 $display("@%0t: finish after #80", $time);
end//begin...end和fork...join的输出
@0: start fork...join example
@10: sequential after #10
@10: parallel start
@20: parallel after #10
@40: sequential afrer #30
@50: sequential after #10
@60: parallel after #50
@60: after join
@140: finish after #80

从上例可以看出**，fork…join块为其内所有语句各开辟一个线程（begin…end块被当作一条语句），begin…end语句块内部的子语句是顺序执行的。**

7.1.2 使用fork…join_none来产生线程

fork...join_none块在调度其块内语句时，父线程继续执行。以下代码与7.1.1中相同，fork...join被换做fork...join_none。

initial
begin$display("@%0t: start for...join example", $time);#10 $display("@%0t: sequential after #10", $time);fork$display("@%0t: parallel start", $time);#50 $display("@%0t: parallel after #50", $time);#10 $display("@%0t: parallel after #10", $time);begin#30 $display("@%0t: sequential after #30", $time);#10 $display("@%0t: sequential after #10", $time);endjoin_none$display("@%0t: after join", $time);#80 $display("@%0t: finish after #80", $time);
end//begin...end和fork...join_none的输出
@0: start fork...join example
@10: sequential after #10
//进入fork...join_none块时（#10时刻）执行线程
@10: parallel start
@10: after join
@20: parallel after #10
@40: sequential afrer #30
@50: sequential after #10
@60: parallel after #50
@90: finish after #80

7.1.3 使用fork…join_any实现线程同步

fork...join_any块对块内语句进行调度，当第一个语句完成后，父线程才继续执行，其他停顿的线程也得以继续。以下代码与7.1.1中相同，fork...join被换做fork...join_any。

initial
begin$display("@%0t: start for...join example", $time);#10 $display("@%0t: sequential after #10", $time);fork$display("@%0t: parallel start", $time);#50 $display("@%0t: parallel after #50", $time);#10 $display("@%0t: parallel after #10", $time);begin#30 $display("@%0t: sequential after #30", $time);#10 $display("@%0t: sequential after #10", $time);endjoin_any$display("@%0t: after join", $time);#80 $display("@%0t: finish after #80", $time);
end//begin...end和fork...join_any的输出
@0: start fork...join example
@10: sequential after #10
//进入fork...join_any块时，第一条语句执行完毕时开启此线程（#10时刻）
@10: parallel start
@10: after join
@20: parallel after #10
@40: sequential afrer #30
@50: sequential after #10
@60: parallel after #50
@90: finish after #80

7.1.4 在类中创建线程

class Gen_drive;task run(int n);Packet p;forkrepeat (n)beginp = new();assert(p.randomize());transmit(p);endjoin_noneendtasktask transmit(input Packet p);...endtaskendclassGen_drive gen;
initial
begingen = new();gen.run(10);...
end

注意，事务处理器并不是在new函数中启动的，构造函数只用来对数值进行初始化，并不启动任何线程。把构造函数同真正进行事务处理的代码分开，允许你在开始执行事务处理代码之前修改任何变量（构造函数中初始化变量）。这样，就可以引入错误检测，修改缺省值或者变更代码行为。

7.1.5 动态线程

在V中，线程是可预知的，可以通过源代码中initial，always和fork...join块的数量来确定一个模块中有多少的线程。而在SV中，可以动态地创建线程，而且不用等到他们都执行完毕。

7.1.6 线程中的自动变量

//不良代码，在循环中使用fork...join语句
program no_auto;initialbeginfor(int j=0;j<3;j++)fork$write(j);            //不良代码，三个线程使用的都是j=3join_none#0 $display("\n");end
endprogram

#0时延阻塞了当前线程，并且把他们重新调度到了当前时间片之后启动。上例中，时延使得当前线程必须等到在fork...join_none语句中产生的线程执行完以后才得以运行。这种时延在阻塞线程上很有用处，但务必小心，因为过分使用会导致竞争和难以预料的结果。

//改良代码
initial
beginfor(int j=0;j<3;j++)forkautomatic int k=j;$write(k);join_none#0 $display
end

使用自动（automatic）变量声明在for循环里的线程中运行，每轮循环中，k就会创建一个k的副本，每个k副本会拷贝保存当前循环中的j变量中的值。在循环完成后，#0阻塞了当前线程，因此三个线程一起运行，并打印出各自的拷贝值k。

//自动存储的程序或模块里，变量声明时可以不使用关键词automatic
program automatic bug_free;initialbeginfor(int j=0;j<3;j++)beginfork$write(k);join_noneend#0 $display;end
endprogram

7.1.7 等待所有衍生线程

SV中，当程序中的initial块全部执行完毕，仿真就退出了，但是如果生成了多个线程，有些线程运行时间比较长，可以使用wait fork语句等待所有子线程结束。

task run_threads;...forkcheck_trans(tr1);check_trans(tr2);check_trans(tr3);join_nonewait fork;       //等待fork内所有子线程结束
endtask

7.1.8 在线程间共享变量

在一个类内部的子程序里，可以使用局部变量，类变量或者在程序中定义的变量。如果忘记声明了某个变量，SV会到更高层的作用范围内寻找，直至找到匹配的声明。如果两部分代码无意间共享了同一个变量，这会导致难以发现的漏洞，而漏洞的原因往往是忘了在最内层声明变量。

program bug；class Buggy;int data[10];task transmit;fork//忘记写int导致未声明变量i，会向类上一级程序块中搜索i变量，最终使用的                 //是program中的i变量for(i=0;i<10;i++)    send(data[i]);join_noneendtassendclassint i;        //共享的程序级变量iBuggy b;event receive;initialbeginb=new();for(i=0;i<10;i++)   b.data[i]=i;b.transmit();for(i=0;i<10;i++)   @(receive) $display(b.data[i]);end
endprogram

7.2 停止线程

正如需要在测试平台中创建线程，也需要停止线程。V中的disable语句可以用于停止SV中的线程。

7.2.1 停止单个线程

通过禁止一个标签可以精确地指定需要停止的块。

parameter TIME_OUT = 1000;
task check_trans(Transaction tr);//父线程中有两个子线程，fork...join_any和disable语句，因在begin...end块中，两个线程顺序执行，如果bus总线在TIME_OUT时延之前满足条件，则执行内部打印语句，否则在经过TIME_OUT时延后fork...join_any触发diable线程，终止time_block线程内所有子线程forkbeginfork:timeout_blockbeginwait(bus.cb.addr == tr.addr);$display("@%0t: Addr match %d", $time, tr.addr);end#TIME_OUT $display("@%0t: Error: timeout", $time);join_anydisable timeout_block;endjoin_any
endtask

7.2.2 停止多个线程

SV中引入disable fork语句能够停止从当前线程中衍生出来的所有子线程。

initial
begincheck_trans(tr0);          //线程0fork                       //线程1begin  check_trans(tr1);       //线程2fork                   //线程3check_trans(tr2);  //线程4join//disable语句结束fork...join线程及其所有子线程#(TIME_OUT/2) disable fork;endjoin
end//使用带标号的disable来停止所有线程
initial
begincheck_trans(tr0);forkbegin:thread_innercheck_trans(tr1);check_trans(tr2);end(TIME_OUT/2) disable threads_inner;    //结束thread_inner内所有子线程join
end

7.3 线程间的通信

SV中可以使用事件，旗语和信箱来完成线程间通信。

7.3.1 事件

V事件可以实现线程的同步。使用@event_a来阻塞线程，使用->event_a来解除线程中的阻塞。SV中对事件进行了增强，事件成为了同步对象的句柄，可以传递给子程序。此特性允许你在对象间共享事件，而不用把事件定义为全局变量。V中，当一个线程在阻塞到一个事件上时，正好另一个线程触发了这个事件，则竞争便有可能发生。SV中可以使用triggered()函数来查询某个时间是否已被触发，线程可以等待这个函数的结果，而不必使用@阻塞符，从而避免了竞争的发生。

7.3.1.1 在事件的边沿阻塞

//@event可以理解为边沿阻塞（解除阻塞是使用->，某个时刻触发，错过触发时刻@不会解除阻塞）
event e1, e2;initial
begin$display("@%0t: 1: before trigger", $time);-> e1;@e2;$display("@%0t: 1: after trigger", $time);
endinitial
begin$display("@%0t: 2: before trigger", $time);-> e2;@e1;$display("@%0t:2 :after trigger", $time);
end//输出
@0: 1: before trigger
@0: 2: brfore trigger
@0: 1: after trigger

7.3.1.2 等待事件的触发

可以使用电平敏感的wait(e1.triggered())来替代边沿敏感的阻塞语句@e1，如果事件在当前的时间已经被触发，则不会引起阻塞，否则会一直等到事件被触发为止。

event e1, e2;
initial
begin$display("@%0t: 1:before trigger", $time);-> e1;wait (e2.triggered());$display("@%0t 1: after trigger", $time);
endinitial
begin$display("@%0t: 2: before trigger", $time);-> e2;//与7.3.1.1中不同，wait(e1.triggered())不会因为错过->e1而发生阻塞，只要e1事件被触发，triggered()函数就为真wait(e1.triggered());$display("@%0t: 2: after trigger", $time);
end//输出
@0: 1: before trigger
@0: 2: brfore trigger
@0: 1: after trigger
@0: 2: after trigger

7.3.1.3 在循环中使用事件

可以使用事件来实现两个线程的同步，但是请务必小心避免使用零时延的循环。

//零时延的循环
forever
begin//handshake一旦被触发，则循环陷入0时延的死循环wait(handshake.triggered());$display("Received next event");process_in_zero_time();
end//带有时延的循环
forever
begin//每次循环阻塞@handshake;$display("Received next event");process_in_zero_time();
end

如果需要在同一时刻发送多个通告，不应该使用事件，而应该使用其他内嵌排队机制的线程通信方法，如旗语和信箱。

7.3.1.4 传递事件

SV中的事件可以像参数一样传递给子程序。

class Generator;event done;function new(event done);this.done = done;endfunctiontask run();forkbegin...->done;endjoin_noneendtask
endclassprogram automatic test;event gen_done;Generator gen;initialbegingen = new(gen_done);gen.run();wait(gen_done.triggered());end
endprogram

7.3.1.5 等待多个事件

event done[N_GENERATORS];
initial
beginforeach(gen[i])begin//创建多个发生器gen[i] = new();gen[i].run(done[i]);endforeach(gen[i])forkautomatic int k=i;、//等待多个线程被触发wait (done[k].triggered()):join_none//等待fork...join_none快内所有线程执行完毕wait fork;
end

也可以使用线程计数的方式来等待所有线程执行完毕。

class Generator;static int thread_conunt=0;     //记录线程的数目task run();//调用run函数，线程数+1thread_count++;forkbegin...//执行完毕所有代码后，线程数-1thread_count--;endjoin_noneendtask
endclassGenerator gen[N_GENERATORS];
initial
beginforeach(gen[i])    gen[i]=new();foreach(gen[i]) gen[i].run();wait (Generator::thread_count == 0);
end

7.3.2 旗语

使用旗语可以实现对同一资源的访问控制。旗语可以理解为对同一资源的“互斥访问”。

7.3.2.1 旗语的操作

旗语有三种基本操作：

new：可以创建一个带单个或者多个钥匙的旗语。
get：可以获取一个或多个钥匙。
put：可以返回一个或多个钥匙。

如果希望获取一个旗语而不被阻塞，可以使用try_get函数，返回1证明有足够多的钥匙，而返回0则表明钥匙不够。

program automatic test(bus_ifc.TB bus);semaphore sem;                //创建一个旗语initialbeginsem = new(1);          //分配一个钥匙forksequencer();sequencer();joinendtask sequencer;repeat($urandom()%10) @bus.cb;   //等待0~9个周期sendTrans();                      //执行总线事务endtasktask sendTrans;sem.get(1);                           //获取总线钥匙@bus.cb;                           bus.cb.addr <= t.addr;...sem.put(1);                            //返回总线钥匙endtask
endprogram

7.3.3 信箱

SV使用信箱来进行线程间的传递信息。从硬件的角度出发，对信箱的最简单的理解是把它看成一个具有源端和收端的FIFO。源端把数据放进信箱，收端则从信箱中获取数据。信箱可以有容量上限，也可以没有。当源端线程试图向一个容量固定并且已经饱和的信箱放入数值时，会发生阻塞，直到信箱中的数据被移走。同样的收端线程试图从一个空信箱里移走数据，它会被阻塞直到有数据被放入信箱里。如果不希望在访问信箱是出现阻塞，可以使用try_get()和try_peek()函数。如果函数执行成功，则返回一个非0值，否则返回0。信箱允许放入任何混合的数据类型，但是不要这样做，务必在一个信箱里只放一种类型的数据。

7.3.3.1 定容信箱

缺省情况下，信箱类似容量不限的FIFO。在构造信箱时可以指定一个最大容量，缺省容量是0，表示信箱容量不限，任何大于0的数值便创建了一个定容信箱。

7.3.3.2 在异步线程间使用信箱通信

如果想让生产方和消费方两个线程保持一致，那就需要额外的握手信号。

7.3.3.3 使用信箱和事件来实现线程的同步

//@handshake和->handshake实现线程同步
program automatic mbx_evt;
mailbox mbx;
event handshake;class Producer;task run;for(int i=1; i<4; i++)begin$display("Producer: before put (%0d)", i);mbx.put(i);@handshake;$display("Producer: after put (%0d)", i);endentaskendclassclass Consumer;task run;int i;repeat (3)beginmbx.get(i);$display("Consumer: after get (%0d)", i);-> handshake;         //如果这个先执行，@handshake陷入永久阻塞？？？endendclassProducer p;Cosumer c;initialbeginmbx = new();p = new();c = new();forkp.run();c.run();joinend
endprogram

7.3.3.4 使用两个信箱来实现线程的同步

//使用两个邮箱同步
program automatic mbx_mbx2;mailbox mbx, rtn;class Producer;task run();int k;for(int i=1;i<4;i++)begin$display("Producer: before put (%0d)", i);mbx.put(i);rtn.get(k);$display("Producer: after get (%0d)", k);endendtaskendclassclass Consumer;task run();int i;repeat(3)begin$display("Consumer: before get");mbx.get(i);$display("Consumer: after get (%0d)", i);rtn.put(-i);endendtaskendclassProducer p;Cosumer c;initialbeginmbx = new();rtn = new();p = new();c = new();forkp.run();c.run();joinend
endprogram

参考文献：

SystemVerilog验证测试平台编写指南（原书第二版）张春麦宋平赵益新译