SV：SystemVerilog

• 开启SV之路

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数据类型

內建数据类型

• 四状态与双状态 ：

  • 四状态指0、1、X、Z，包括logic、integer、 reg、 wire。
  • 双状态指0、1，包括bit、byte、 shortint、int、longint。

• 有符号与无符号 ：

  • 有符号：byte、shortint、int、longint、integer。
  • 无符号：bit、logic、reg、wire。

• 关于数据类型使用的几个注意点 ：

  • SV中虽然支持reg和wire，但对于 验证平台要尽量使用logic ，并且建议采样RTL信号时变量要使用logic类型。

  • 实际工作中 使用最多的是logic和bit ，一般 需要计数和比较大小时会使用byte或int 。

  • 尽量 避免两种不同数据类型变量进行操作 ，包括 有无符号、四状态双状态、不同位宽 ，如必须进行操作，请先转换为同一类型。

• 关于数据类型转换的几个注意点 ：

  • 四状态转换为双状态时， x和z转换为0 。
  • 多位数据赋值给少位数据，则 高位被截取忽略 ；少位数据赋值给多位数据，双状态类型的 高位赋值为0 ，四状态类型的 高位赋值为x 。（以上指的是无符号类型）
  • 有符号变量转无符号变量，直接赋值的话会将 原始比特数据 赋给无符号变量，但其原符号位失去含义；使用转换语句转换的话，会将有符号变量 取模 赋值给无符号变量。
  • 总之，还是尽量避免数据类型间的转换，数据类型间的转换是容易出错的地方，需要格外注意。

• 数据类型转换操作 ：

//静态转换（不对转换值进行检查）：
unsigned_data = unsigned'(signed_data);
int_data = int'(real_data);
real_data = real'(int_data);

//动态转换（仿真时对转换值进行检查，转换失败会报告）：
//$cast(tgt, src);
$cast(unsigned_data, signed_data);

//静态和动态转换都属于显示转换，不借助操作符的转换称为隐式转换
logic data0;
bit data1;
data1 = data0;

定宽数组

• 数组声明 :

//变量左侧为矢量宽度，右侧为维度，且从左至右代表维度从高到低

//二维数组（习惯上左右顺序是从低到高，这对初始化很重要）
int data_a[0:15];          // 16个整数[0]...[15]
int data_a[16];            // 紧凑型声明

//多维数组（左边为高维度）
int data_a[0:7] [0:3];
int data_a[8] [4];        // 紧凑的多维数组声明
int data_a[7][3] = 1;     // 为最后一个元素赋值

• 数组的初始化和赋值 ：

int data_a[4] = '{0,1,2,3};     //data_a[0]为0 ... data_a[3]为3
int data_a[0:3] = '{0,1,2,3};   //data_a[0]为0 ... data_a[3]为3
int data_a[4] = '{4{1}};        //全赋值为1
int data_a[4] = '{5,default:-1}; //data_a[0]为5，其他为-1

• 存储空间 ：

bit [3][7:0] b_pack;
bit [7:0] b_unpack [3];
logic [3][7:0] b_pack;
logic [7:0] b_unpack [3];

//变量左侧代表矢量宽度，右侧代表数组维度，也可以称为数组的合并与非合并，以上都可以代表24bit数据容量。
//二值逻辑bit声明，每bit位占用1bit空间，第一种声明占用1WORD空间，3x8bit，第二种声明占用3个WORD空间，3WORD x 1x8bit；
//四值逻辑logic声明，每bit位占用2bit空间，第一种声明占用2WORD空间，3x16bit，第二种声明占用3WORD空间，3WORD x 1x16bit。
//所以，在合适的时候选用合并数组，能够节省存储空间。（软件仿真时计算机空间占用都是以word为单位的）

• 数组操作之for和foreach循环 ：

bit [31:0] src[5];
bit [31:0] dst[5];

for(int i=0; i<$size(src); i++)
    src[i] = i;

foreach (dst[j])
    dst[j] = src[j] * 2;
//$size(src)是获取最高维度变量个数，也可以指定维度$size(src，1)，其中1代表最高，2次之...
//foreach语句会遍历数组变量，这也是最推荐的使用方法，多维度遍历可以使用foreach(dst[i,j])。

• 数组操作之复制和比较 ：

bit [31:0] src[5] = '{0,1,2,3,4};
bit [31:0] dst[5] = '{4,3,2,1,0};
if(src == dst) $display("src == dst"); //比较数组

dst = src; //数组复制

src[0] = 5; //修改数组中某元素

//赋值可以直接使用赋值符号“=”；
//直接进行数组的复制；
//比较，也可以使用“==”或“!=”来比较，不过结果仅限于内容相同或不相同。

动态数组

• 定宽数组类型宽度编译时已经确定，若在程序运行时确定数组宽度就要使用 动态数组 。
• 动态数组特点就是仿真运行时灵活调节数组的大小，也就是存储量。
• 动态数组开始时使用“[]”来声明，此时数组为空，其后使用“new[]”来分配空间，方括号中传递数组宽度。
• 调用“new[]”时也可以将数组名一并传递，将已有数组的值复制到新的数组中。

int dyn[];
int d2[]; //声明动态数组

initial begin
    dyn = new[5]; //分配5个元素

    foreach(dyn[j]) dyn[j] = j; //对元素初始化

    d2 = dyn; //复制动态数组，d2初始元素个数为零，复制后元素个数为5，且dyn和d2各自独立
    d2[0] = 5; //修改元素值，此时dyn[0]仍为0，d2[0]为5

    dyn = new[20](dyn); //分配20个数值并进行复制，也就是dyn初始值5个元素复制给了新的dyn低5个元素，高15个元素为0.
    dyn = new[100]; //重新分配100个数值，而旧值不复存在
    dyn.delete(); //删除所有元素
end

队列

• 队列结合了链表和数组的优点，可以在任何地方添加和删除元素，并且通过索引实现对任一元素的访问。
• 队列的声明是使用美元符号的下标：[$]，队列元素标号从0到$。
• 队列不需要new[]去创建空间，只需要使用队列的方法为其增减元素，队列初始空间为零。
• 队列的简单使用是通过 push_back()和pop_front() 的结合来实现FIFO的用法。

int j = 1;
int q2[$] = {3,4};
int q[$] = {0,2,5}; //队列的赋值不需要单引号

initial begin
    q.insert(1, j); //{0,1,2,5} 在1位置插入j
    q.insert(3, q2); //{0,1,2,3,4,5} 在3位置中插入队列q2
    q.delete(1); //{0,2,3,4,5} 删除队列中1位置元素

    //下列操作才是队列中最常用方法
    q.push_front(6); //{6,0,2,3,4,5} 在队列头部插入
    j = q.pop_back(); //{6,0,2,3,4} 在队列尾部弹出
    q.push_back(8); //{6,0,2,3,4,8} 在队列尾部插入
    j = q.pop_front(); //{0,2,3,4,8} 在队列头部弹出

    foreach(q[j])
        $display(q[j]); //打印整个队列

    q.delete(); //删除整个队列
end

关联数组

• 如果需要一个超大容量存储空间，而有相当部分数据不会被存储和访问，不管使用定宽数组还是动态数组，都会造成存储的浪费，这时候需要使用关联数组。
• 关联数组可以保存稀疏矩阵元素，当你对一个非常大的地址空间进行寻址时，该数组 只为写入的元素分配空间 ，所以关联数组需要的空间远小于定宽或动态数组。
• 此外关联数组的灵活应用，在其他高级语言中都有类似的存储结构，比如Perl语言中称为哈希(Hash)，Python中称为词典(Dictionary)，可以灵活赋予key和value。

bit [63:0] assoc[int]; //声明关联数组，关联数组中[]内声明数据类型，也就是index类型
int index = 1;

repeat(64) begin //对稀疏分布的元素初始化
    assoc[index] = index;
    index = index <<1; //1 2 4 8 16 ......
end

foreach(assoc[i]) //使用foreach变量关联数组，注意：并不一定按index大小顺序依次执行（可以使用sort排序）
    $display("assoc[%d] = %h", i, assoc[i]);

//找到并删除第一个元素，使用if(assoc.first(index)) 可以判断数组是否为空
assoc.first(index); //将assoc第一个索引值赋给index
assoc.delete(index); //删除assoc的index索引元素

结构体

• sv中可以使用struct语句创建结构，与c语言类似。
• sv中struct功能较少，只可以定义一个 数据的集合 ，也就是将若干相关变量组合到一个struct结构定义中。
• 通过 使用typedef和struct，可以定义新的数据类型 ，可利用新的数据类型声明变量。

//非合并结构
typedef struct {
    bit[7:0] r;
    bit[7:0] g;
    bit[7:0] b;
} pixel_str; //使用typedef和struct创建新的数据类型 pixel_str

pixel_str my_pixel; //使用新的数据类型声明变量
my_pixel = '{8'h10, 8'h20, 8'h30}; //结构体赋值，此时赋值与声明时一一对应

//合并结构
typedef struct {
    bit[7:0] r,
    bit[7:0] g,
    bit[7:0] b;
} pixel_str; //使用typedef和struct创建新的数据类型 pixel_str

pixel_str my_pixel; //使用新的数据类型声明变量
my_pixel = {8'h10, 8'h20, 8'h30}; //结构体赋值，此时赋值与声明时一一对应

• 关于赋值时什么时候使用单引号：
  • 合并型存储的不需要使用单引号，就好比数据的拼接，队列是合并型存储的。
  • 非合并型存储需要使用单引号，如数组和结构体。

枚举类型

• 规范的操作码和指令有利于代码的编写和维护，如ADD、WRITE、IDEL等。
• 枚举类型enum经常 和typedef搭配使用 ，由此便于用户自定义枚举类型的共享使用。
• 枚举类型 保证避免一些非期望值的出现 ，增加代码可维护性和降低设计风险。

typedef enum {INIT, DECODE, IDLE} fsmstate_e; //声明枚举类型和自定义数据类型
fsmstate_e pstate, nstate; //通过自定义枚举数据类型 声明变量

case(pstate) //枚举类型主要应用于状态机
    IDEL: nstate = INIT;
    INIT: nstate = DECODE;
    default: nstate = IDLE;
endcase

$display("Next state is %s", nstate.name()); //显示状态名

字符串

• verilog语言中是不存在字符串的，而sv中添加了字符串string类型。
• 所有相关的字符串处理，都使用string来保存和处理。
• 字符串处理相关的格式化函数可以 使用$sformatf()，如果只是打印输出，可以直接使用$display()。

string s1, s2; //声明字符串，此时为空。
int i1, i2;

initial begin
    i1 = 2005;
    s1.itoa(i); // integer converted to string
    s2 = "IEEE";

    $display(s2.tolower()); //显示 ieee (转小写)

    s2 = {s2, "-P1800"}; //字符串拼接， "IEEE-P1800"
    s2 = $sformatf("%s%s", s1, "-P1800"); //字符串拼接， "IEEE-P1800"

    i2 = s2.len(); //获取字符串长度

    $display("@%t: %s", $time, $sformatf("%s %d", s2, 42)); //$sformatf返回字符串
end

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过程块

• 过程块有两种：initial和always。
• initial是 不可综合的 ，为验证而生，always是 可综合的 ，代表硬件电路。
• always是 硬件行为 ，可综合，使用时需要 区分时序电路描述和组合电路描述 。
• initial是 软件行为 ， 块内语句 顺序执行，且只执行一次 。
• initial块和always块之间，以及不同initial块，不同always块，在 仿真一开始都是同时执行 的。
• 在verilog时代，所有的测试都放在initial块中，并且为了便于统一管理，建议 放在同一个initial块中 。
• module、interface可视为 硬件域 ，program、class可视为 软件域 ，区分硬件域和软件域对理解initial和always很有帮助。
• initial块可以放在module、interface和program中；always块只能放在module、interface中。
• 对于过程块，使用 begin…end 将其作用域包住，对于控制语句和循环语句，同样适用。

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• module 和 interface：这些是Verilog中用于描述硬件行为的构造。module通常用于描述硬件组件，如处理器、内存或其他功能单元，而interface则用于定义组件之间的通信协议。这些都属于硬件域，因为它们直接对应于硬件电路的行为。

• program 和 class：这些是SystemVerilog（Verilog的一个超集）中引入的构造，主要用于描述软件行为。program通常用于定义测试程序，而class则用于创建可重用的对象。这些都属于软件域，因为它们更多地关注于描述仿真过程中的控制和数据流。

• initial块：如上所述，initial块中的代码仅在仿真开始时执行一次。在硬件测试中，initial块通常用于初始化测试环境、生成激励信号、以及检查响应是否符合预期。由于测试通常需要在仿真开始时立即进行，并且只执行一次，因此将测试代码放在initial块中是合适的。

• always块：与initial块不同，always块中的代码会在仿真期间不断重复执行。**它通常用于描述硬件的周期性行为，如时钟信号、中断处理等。**在软件仿真中，always块也可以用于实现循环和条件逻辑。

举个例子：

• 硬件域示例
  假设我们有一个简单的Verilog module，描述了一个数字加法器：

module adder(  
    input [7:0] a, b,  
    output [7:0] sum  
);  
    assign sum = a + b;  
endmodule

这个module属于硬件域，因为它直接对应于一个加法器的硬件实现。

• 软件域示例
  在SystemVerilog中，我们可以使用program和class来编写测试程序：

program test_adder;  
    adder uut; // 实例化加法器模块  
  
    initial begin  
        // 初始化测试  
        uut.a = 8'h12;  
        uut.b = 8'h34;  
          
        // 等待一段时间让加法器完成计算  
        #10;  
          
        // 检查结果  
        if (uut.sum == 8'h46) begin  
            $display("Test passed!");  
        end else begin  
            $display("Test failed!");  
        end  
          
        // 更多测试...  
    end  
endprogram

在这个例子中，program属于软件域，因为它用于描述测试程序的行为。我们使用initial块来初始化测试环境、生成激励信号，并检查结果是否符合预期。

综上所述，将测试代码放在initial块中，尤其是在Verilog时代，是一种常见的做法，因为它符合测试在仿真开始时立即执行的需求。

而随着SystemVerilog的引入，我们有更多的构造（如program和class）来支持更复杂的软件仿真和测试场景。

方法（函数与任务）

函数function

• 可以在参数列表指定输入参数(input)、输出参数(output)、输入输出参数(inout)或者引用参数(ref)，如果不指明默认为input。
• 可以有返回值，也可以无返回值(void)。
• 函数其他属性：
  • 默认数据类型为logic。
  • 数组可以作为形式参数传递。
  • function可以返回或不返回结果，返回结果需要使用关键字return，不返回需要声明为void function。
  • 只有数据变量可以在形式参数列表被声明为ref类型，而线网类型则不能声明为ref类型。
  • 使用ref时，有时为了保护参数对象只被读取不被修改，可以通过const的方式限定ref声明的参数。
  • 在声明参数时，可以设置默认值（input a=10），同时如果在调用时省略参数的传递，则函数中使用默认值。

function int double_f1(input int a);
    return 2*a;
endfunction

function void double_f2(constraint ref int a, ref int b);
    b = 2*a;
endfunction

initial begin
    int a;
    int b;
    double_f2(a, b);

    $display("double of %0d is %0d", 10, double_f1(10));
    $display("double of %0d is %0d", 10, b);
end

任务task

任务相比函数更加灵活，且有以下不同点：

• task无法通过return返回结果（也无需加void），只能通过input、output、inout或ref的参数来返回。
• task内 可以使用耗时语句 ，而function不能。常见的耗时语句如： @event、wait event、#delay 等。

task double_t1(input [31:0] a, output [31:0] b); //不指明方向则默认为input
    b = 2*a;
endtask

task double_t2(constraint ref int a, ref int b);
    b = 2*a;
endfunction

使用建议

• 初学者傻瓜式用法，可以 全部采用task来定义方法 ，因为它可以内置耗时语句，也可不以内置耗时语句。
• 经验者要区分两种方法， 非耗时方法使用function，耗时方法使用task ，也就是function中完成纯粹的逻辑运算，而task更多完成需要耗时的信号采样或者驱动等场景。
• 调用function：在function和task内均可以调用其他function；用task，如果被调用task内使用了耗时语句，只能在task调用。

变量的声明周期

• sv中数据的生命周期分为 动态(automatic)和静态(static) 。
• 局部变量 的生命周期与其所在域共存亡，也就是在function/task中的临时变量， 在其被调用结束后，临时变量的生命周期也将终结 。
• 全局变量 在程序执行 开始到结束一直存在 。
• 如果数据变量被声明为automatic，那么在进入该进程/方法后，automatic变量会被创建，离开该进程/方法后，automatic变量被销毁。而static在仿真开始时被创建，而在进程/方法执行过程中，不会被销毁，且可以 被多个进程和方法所共享 。
• module内全部是静态变量，代表真实的电路结构。
  对于automatic方法，其内部所有变量默认也是automatic。
• 对于static方法，其内部所有变量默认也是static。
• 对于static变量， 声明时应该对其做初始化 ，而初始化只会伴随它的生命周期执行一次，不会随着方法调用而多次初始化。
• 在module、program、interface声明的变量，以及其他在task/function之外声明的变量，默认是静态变量，存在于是整个仿真阶段。

设计例化和连接

模块定义

module xprop (
// Outputs
out1,
// Inputs
clk, sel, din0
);
input       clk;
input       sel;
input [7:0] din0;

output      out1;

//......
//......

endmodule

模块例化

module testbench;
//......
//......

    xprop dut(
              // Outputs
              .out1                     (out1),
              // Inputs
              .clk                      (clk),
              .sel                      (sel),
              .din0                     (din0));
endmodule

模块连接

模块连接就是将硬件电路在测试平台进行例化，传统的verilog验证方法，在initial过程块产生激励，驱动硬件电路完成仿真。