SystemVerilog学习 （9）——随机化

目录

一、概述

二、随机化

2.1、如何简单地产生一个随机数

[2.1.1 利用系统函数产生随机数](#2.1.1 利用系统函数产生随机数)

[2.1.2 urandom()](#2.1.2 urandom())

2.2、什么需要随机化

2.3、随机约束

[2.3.1 rand 和 randc](#2.3.1 rand 和 randc)

[2.3.2 随机约束的使用](#2.3.2 随机约束的使用)

[2.3.3 约束块](#2.3.3 约束块)

三、总结

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一、概述

随着设计变得越来越大,要产生一个完整的激励集来测试设计的功能也变得越来越困难了。 定向激励的测试方法早已经无法满足检查功能完整性的要求。
解决的办法是采用受约束的随机测试法(CRT)自动产生测试集。 随机约束测试（CRT，Constrained-Random Test）即能够产生你感兴趣的、你想不到的的测试向量，通过回归测试、替换随机种子的方式来提高单位测试用例的覆盖率收集效率。
CRT由两部分组成:使用随机的数据流为DUT 产生输入的测试代码,以及伪随机数发生器(PRNG)的种子( seed)。只要改变种子的值﹐就可以改变CRT的行为。这样仅仅通过改变种子的值,就可以调整每次测试,使得每次测试可以达到很多次定向测试的效果。这种方法还可以产生更多的和定向测试等效的测试集。
你可能会觉得这些随机测试有点像投掷飞镖,怎么才能知道是否覆盖了设计的所有方面?通常激励空间是非常大的,以至于无法用for循环来产生各种可能的输入,所以必须采用产生子集的方式来解决这个问题。在之后的内容中,我们将会学习如何用功能覆盖率来确定验证的进度。

二、随机化

2.1、如何简单地产生一个随机数

2.1.1 利用系统函数产生随机数

通过系统函数std::randomize()对一些变量即可完成随机化，或者理解为产生随机数并赋予这些变量 。

2.1.2 urandom()

• $urandom()，可以生成一个32位的无符号随机数。
• $urandom_range(maxval, minval=0)，可以生成一个 maxval与minval 之间的数。

2.2、什么需要随机化

当谈到使用随机化的方式就行验证的时候，相信大家第一时间想到地都是随机化产生地数据，这种方式看起来非常简单，只需要调用$randm()函数就实现了，但是这种方式找bug的能力非常有限，只能找到一些数据路径方面的bug，这种设计方式的本质还是基于定向测试的方法。一般来说，大型的bug都存在与控制路径中，因此，对于DUT里所有的关键点都要采用随机化的方式。随机化使得控制路径里的每一个分支都可能被测试。

我们需要考虑设计输入的各个方能，例如：

1. 器件配置
2. 环境配置
3. 原始输入数据
4. 封装后的输入数据
5. 协议异常
6. 延时
7. 事务状态
8. 错误（error）和违规（violation）

2.3、随机约束

比起以上我们独立地生成一些随机数，在面向DUT的随机激励发生过程中，为了符合协议、满足测试需求，我们还需要添加一些 "约束" 。 这些"约束"会使得变量朝着希望他们变化的方向去随机。 不但如此，这些约束也会对变量与变量之间的关系生效， 因此，我们需要一个"载体"去容纳这些变量以及它们之间的约束。 这个"载体"即是类，而类的成员变量均可声明为"随机"属性，用 rand或者randc来表示。

2.3.1 rand 和 randc

• 对于rand修饰符，表示在可生成的范围内，每个值的可能性是相同的。
• 对于randc修饰符，它的值将会随机并且遍历其可取值范围。

简单说就是randc的c可以解读成cycle，使用randc的时候会循环遍历一遍所有的取值。

2.3.2 随机约束的使用

• 任何类中的整形（bit/byte/int）变量都可以声明为 rand/randc
• 定长数组、动态数组、关联数组和队列都可以声明为 rand/randc，可以对动态数组和队列的长度加以约束
• 指向对象的句柄成员，也可以声明为rand（不能被声明为 randc），随机时该句柄指向对象中的随机变量也会一并被随机
• 非组合型结构体可以声明为rand，非组合型的成员可以声明为 rand/randc

下图给出了一个带有随机变量的简单类

2.3.3 约束块

有用的激励不仅仅是随机值，变量之间也有着相互关系。 没有约束的随机变量会包含许多无效的和非法的值，这会使得有效激励的产生变得低效。因此，我们 需要用包含一个或多个约束表达式的约束块定义这些相互关系。

约束块支持整形通过set操作符来设置它们的可取值范围

rand integer x, y, z; 
constraint c1 {x inside {3, 5, [9:15], [24:32], [y:2*y], z};} 

rand integer a, b, c; 
constraint c2 {a inside {b, c};} 

integer fives[4] = '{ 5, 10, 15, 20 }; 
rand integer v; 
constraint c3 { v inside {fives}; }

此外， 除了成员集合设置，约束块也支持设置可取值的同时也为其设置随机时的权重。

• 对于:=操作符，它们表示每一个值的权重是相同的；
• 对于:/操作符，它们表示权重会平均分配到每一个值。

unique可以用来约束一组变量，使得其在随机后变量之间不会有相同的数值。还有的地方可以使用if-else或者->操作符来表示条件约束； foreach可以用来迭代约束数组中的元素，这些数组可以是定长数组、动态数组、关联数组或者队列。

在没有soft描述时的约束，我们称之为硬约束，而带有soft描述的则是软约束。软约束用来指定变量的默认值和权重。如果用户在使用时，指定了外部约束对同一个变量做二次约束，或者用 户定义了子类，也对同一个变量做二次约束时，那么硬约束可以"覆盖" 软约束，并且不会导致随机数产生的失败。

三、总结

CRT是产生验证复杂设计所需激励的唯一可行的方法。SystemVerilog 提供了很多种产生随机激励的方法,本章展示了其中的一些实现方法。
测试必须是灵活的,允许你既可以使用产生的缺省值,也可以约束或修改缺省值以实现最终目标。在建立测试平台前务必事先规划,留出足够的"钩子",这样才能在不修改现有代码的情况下控制测试平台。