SV基础知识-----线程间的控制与通信

前言：

• 线程间的同步，用event。
• 多个线程访问一个共享资源，用semaphore（旗语）的钥匙。
• 线程间传递信息，用mailbox。（信箱：放置缓存）

一、程序和模块

• module除了作为RTL模型的外壳包装和实现硬件行为，在更高层的集成层面，模块之间也需要通信和同步。
• 对于硬件的过程块，它们之间的通信可理解为不同逻辑/时序块之间的通信或者同步，是通过信号的变化来完成的。
• 从硬件实现的角度来看，Verilog通过always，initial过程语句块和信号数据连接实现进程间通信。
• 可以将不同的module作为独立的程序块，他们之间的同步通过信号的变化event触发、等待特定事件(时钟周期)或者时间(固定延时)来完成。
• 模块(线程)在仿真一开始便并行执行，除了每个线程会依照自身内部产生的事件来触发过程语句块之外，也同时依靠相邻模块间的信号变化来完成模块之间的线程同步。

二、什么是线程

• 线程即独立运行的程序。
• 线程需要被触发，可以结束或者不结束。
• 在module中的initial和always，都可以看做独立的线程，它们会在仿真0时刻开始，而选择结束或者不结束。
• 硬件模型中由于都是always语句块，所以可以看成是多个独立运行的线程，而这些线程会一直占用仿真资源，因为它们并不会结束。
• 软件测试平台中的验证环境都需要由initial语句块去创建，而在仿真过程中，验证环境中的对象可以创建和销毁，因此资源占用是动态的。
• 软件环境中的initial块对语句有两种分组方式，使用begin...end或fork...join。begin...end中的语句以顺序方式执行，而fork...join中的语句则以并发方式执行。并行方式还包括fork...join_any、fork...join_none。
• 线程的执行轨迹是呈树状结构的，任何的线程都应该有父线程。
• 父线程可以开辟若干个子线程，父线程可以暂停或者终止子线程。当子线程终止时，父线程可以继续执行，当父线程终止时，其子线程都应当终止。

三、线程的控制

fork并行线程语句块（下图分别开辟了三个子线程）

• fork...join需要所有线程都执行完，才能继续执行。
• fork...join_any只需要任何其中一个线程执行完，就可以继续执行
• fork...join_none无需等待正在执行的子线程，直接继续执行接下来的程序。

等待所有衍生线程

• 在SV中，当程序中的initial块全部执行完毕，仿真器就退出了。
• 如果要等待fork块中的所有线程执行完毕再退出结束initial块，可以使用wait fork；语句来等待所有子线程结束。

停止单个或者多个线程

• 在使用了fork...join_any或者fork...join_none以后，可以使用disable来指定需要停止的线程。

parameter TIME_OUT = 1000;
task check_trans(Transaction tr);
	fork
		begin
			//等待回应，或者达到某个最大时延
			fork : timeout_block			//这个fork块里面有两个并行线程，但只希望有一个执行完就可以退出
				begin
					wait (bus.cb.addr == tr.addr);
					$display("@%0t: Addr match %d", $time, tr.addr);
				end
				#TIME_OUT $display("@%0t: Error: timeout", $time);
			join_any
			disable timeout_block;
		end
	join_none
endtask

• disable fork可以停止从当前线程中衍生出来的所有子线程。

initial begin
	check_trans(tr0);									//线程0
	//创建一个线程来限制disable fork的作用范围
	fork												//线程1
		begin
			check_trans(tr1);							//线程2				
			fork										//线程3
				check_trans(tr2);						//线程4
			join
			//停止线程1-4，单独保留线程0
			#(TIME_OUT/2) disable fork
		end
	join
end

• 如果给某一个任务或者线程指明标号，那么当这个线程被调用多次以后，如果通过disable去禁止这个线程标号，所有衍生的同名线程都将被禁止。

task wait_for_time_out(int id);
	if(id == 0)
		fork
			begin
				#2;
				$display("%0t: disable wait_for_time_out", $time);
				disable wait_for_time_out;       //diable task名
			end
		join_none
	fork : just_a_little
		begin
			$display("@%0t: %m: %0d entering thread", $time, id);
			#TIME_OUT;
			$display("@%0t: %m: %0d done", $time, id);
		end
	join_none
endtask

initial begin
	//任务被调用三次，从而衍生了三个线程
	wait_for_time_out(0);				//线程0在#2延时之后禁止了该任务，而由于三个线程均是同名线程，因此这些线程都被禁止了，最终也都没有完成
	wait_for_time_out(1);
	wait_for_time_out(2);
	#(TIME_OUT * 2) $display("@%0t: All done", $time);
end

四、线程间的通信

• 测试平台中的所有线程都需要同步并交换数据。
• 一个线程需要等待另一个线程。
• 多个线程可能同时访问同一个资源。
• 线程之间可能需要交换数据。（如：generator和simulator直接的数据交换通过maibox）
• 所有数据交换和同步称之为线程间的通信(IPC)。
• 线程间共享资源的使用方式，应该遵循互斥访问原则。

event事件

• Verilog中一个线程总是要等待一个带@操作符的事件。这个操作符是边沿敏感的，所以总是阻塞着、等待事件的变化。
• SV中，其它线程可以通过 ->操作符来触发事件，结束对第一个线程的阻塞。
• 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。如果事件在当前时刻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。而使用电平触发，只要event被触发过，就可以防止引起阻塞。
• 适用于最小信息量的触发，即单一的通知功能。(如但bit  0 -> 1)

 semaphore旗语

• semaphore可以实现对同一资源的访问控制。
• semephore有三种基本操作。new()方法可以创建一个带单个或者多个钥匙的semaphore，使用get()方法可以获取一个或者多个钥匙，而put()方法可以返回一个或者多个钥匙。
• 如果想要获取一个semaphore而不希望被阻塞，可以使用try_get()函数，返回1表示有足够多的钥匙，返回0则表示钥匙不够。
• 适用于共享资源访问控制。

mailbox信箱

• 线程之间如果传递信息，可以使用mailbox信箱。mailbox和队列queue相似。
• mailbox是一种对象，因此也需要使用new()来例化，参数size为0或者没有指定时，信箱则表示无限大。
• 使用put()可以把数据放入mailbox，使用get()可以从信箱移除数据。peek()可以获取对信箱里数据的拷贝而不移除它。
• 线程之间的同步方法需要注意，哪些是阻塞方法，哪些是非阻塞方法。
• mailbox必须通过new()例化，而队列只需要声明。
• mailbox可以将不同的数据类型同时存储，队列存储的元素类型必须一致。
• mailbox的存取方法put()和get()是阻塞方法，队列的push_back()和pop_front()方法是非阻塞的。调用阻塞方法只能在task中调用，因此阻塞方法是耗时的。
• 显式地限定mailbox中元素的类型，可以通过mailbox #(type = T)的方式来声明。
• 精小的SV原生FIFO，适用于在线程之间做数据通信或者内部数据缓存。