Systemverilog中fork...join等线程的使用

前言

在 SystemVerilog​ 中，代码总是以initial块启动，从0时刻开始执行，并且顺序执行代码块。但在某些场景下，必须需要某些代码块并行执行，这时候就需要用到fork...join了。

fork...join及其变体是创建并发线程（并发进程）的核心机制，是测试平台（testbench）中实现多线程行为的核心结构之一，其是构建测试平台（Testbench）、实现并行激励和检查的关键。它允许在仿真中同时运行多个语句或任务，而不是像传统软件那样顺序执行。

fork…join 三个变体的区别

如上图所示，fork...join还存在fork...join_any、fork...join_none两个变体，这三者的区别在于何时解除对父线程的阻塞。具体区别如下：

fork…join 三个变体的典型应用场景

• fork…join的典型应用场景：
  • 并行测试：同时驱动多个接口，且等待全部发送完成后检查结果；例如在验证环境中同时发送多笔事务，所有事务处理完成后再统一进行对比；
  • 多通道数据采集：从多个接口信号采集数据，要确保所有接口均采集完成后再进行下一步处理；
• fork…join_any的典型应用场景:
  • 超时保护：当前执行的任务和延迟计数器并行运行，当前任务和延迟计数器哪个先完成就退出等待；
  • 竞争仲裁：若多个模块同时请求资源，哪个模块先完成就先获取到资源；
• fork…join_none的典型应用场景：
  • 看门狗：启动一个信号状态监视的进程，该进程用于看门狗，不影响主进程的运行；
  • 动态线程池：可在循环中不断启动子线程，而主线程可以立刻执行其他操作，无需等待每个子线程结束；

fork…join示例

initial begin $display("@%0t UVM_Frequency: fork...join Start",$time);fork #10$display("@%0t UVM_Frequency: process A",$time);#5$display("@%0t UVM_Frequency: process B",$time);#15$display("@%0t UVM_Frequency: process C",$time);join $display("@%0t UVM_Frequency: fork...join end",$time);end

在上述示例中，最终的打印信息为：

@0UVM_Frequency:fork...join Start @5ns UVM_Frequency:process B @10ns UVM_Frequency:process A @15ns UVM_Frequency:process C @15ns UVM_Frequency:fork...join end

在UVM环境中的运行结果如下：

fork…join_any示例

initial begin $display("@%0t UVM_Frequency: fork...join_any Start",$time);fork #10$display("@%0t UVM_Frequency: process A",$time);#5$display("@%0t UVM_Frequency: process B",$time);#15$display("@%0t UVM_Frequency: process C",$time);join_any $display("@%0t UVM_Frequency: fork...join_any end",$time);end

在上述示例中，最终的打印信息为：

@0ns UVM_Frequency：fork...join_any Start @5ns UVM_Frequency：process B @5ns UVM_Frequency：fork...join_any end @10ns UVM_Frequency：process A @15ns UVM_Frequency：process C

在UVM环境中的运行结果如下：

fork…join_none示例

initial begin $display("@%0t UVM_Frequency: fork...join_none Start",$time);fork #10$display("@%0t UVM_Frequency: process A",$time);#5$display("@%0t UVM_Frequency: process B",$time);#15$display("@%0t UVM_Frequency: process C",$time);join_none $display("@%0t UVM_Frequency: fork...join_none end",$time);end

在上述示例中，最终的打印信息为：

@0ns UVM_Frequency：fork...join_none Start @0ns UVM_Frequency：fork...join_none end @5ns UVM_Frequency：process B @10ns UVM_Frequency：process A @15ns UVM_Frequency：process C

在UVM环境中的运行结果如下：

线程控制方法

为了管理好fork...join的并发线程，systemverilog提供了两个重要的控制语句：wait fork和disable fork。

wait fork

该语句用于等待当前进程中的所有子进程全部结束后才会结束仿真，包括fork...join_none产生的进程，具体如下：

• 等待所有子进程结束：wait fork会等待当前进程直接或间接创建的所有子进程都终止（包括执行完成或者被disable fork强行终止）；
• 灵活的同步点：与fork...join必须在同一个fork中等待所有子进程结束不一样，wait fork可以在后续任意时刻执行，其允许先启动一部分进程，执行一些其他操作，最后统一等待他们完成；即wait fork可跨多个fork块，等待调用者所有活跃的子进程结束；
• 避免进程泄漏：若不使用wait fork，则有可能在父进程执行结束之后，尚未完成的子进程仍在后台运行，有可能会导致信号意外被驱动或者资源占用；
• 注意事项：
  • 只能作用于initial、always、task、function等过程块；
  • 不关心其他进程，只关心当前进程的后代；
  • 若当前进程没有子进程，则wait fork会立即返回，不阻塞执行其他进程；
• wait fork代码示例：

initial begin $display("[%0t]UVM_Frequency: paraent process start",$time);fork begin #10;$display("[%0t]UVM_Frequency: son process A end",$time);end begin #20;$display("[%0t]UVM_Frequency: son process B end",$time);end join_none// 父进程不阻塞$display("[%0t]UVM_Frequency: paraent process continue",$time);#5;$display("[%0t]UVM_Frequency: paraent process wait son process",$time);wait fork;// 等待所有子进程结束$display("[%0t]UVM_Frequency: all son process end,paraent process continue",$time);#10$finish;end

上述代码的运行结果为：

[0]UVM_Frequency:paraent process start[0]UVM_Frequency:paraent processcontinue[5]UVM_Frequency:paraent process wait son process[10]UVM_Frequency:son process A end[20]UVM_Frequency:son process B end[20]UVM_Frequency:all son process end,paraent processcontinue

在UVM环境中的运行结果如下：

disable fork

该语句用于终止当前进程中的所有子进程，强行停止这些进程。常用于超时控制、异常退出等，具体如下：

• 终止所有由当前进程派生的子进程：disable fork会终止包含fork直接创建的进程及子进程内部再次fork产生的后代进程，并将其递归终止；
• 释放资源：disable fork可以停止一些不需要的后台监控、超时计数器等，避免其产生意外的副作用；
• 与wait…fork一起配合完成精准控制：可以先用disable fork终止一些不需要的进程，再用wait fork等待剩余进程自然结束，确保完成同步；
• 注意事项：
  • 只能作用于initial、always、task、function等过程块；
  • 其作用于调用它的那个进程所拥有的子进程，而不会影响兄弟进程或父进程的其他分支；
  • 谨慎使用disable fork，若滥用disable fork则会有概率导致难以调试的竞态条件，其会突然终止正在运行的进程，从而导致某些信号处于不确定状态；
• disable fork代码示例：

initial begin fork begin:outer $display("[%0t]UVM_Frequency: outer start",$time);fork begin:innerA #20;$display("[%0t]UVM_Frequency: inner A end",$time);end begin:innerB #40;$display("[%0t]UVM_Frequency: inner B end",$time);end join_none #10;$display("[%0t]UVM_Frequency: outer end",$time);end join_none #5;$display("[%0t]UVM_Frequency: paraent process continue executing disable_fork",$time);disable fork;// 终止外层及其所有内层子进程#10$finish;end

上述代码的运行结果为：

[0]UVM_Frequency:outer start[5]UVM_Frequency:paraent processcontinueexecuting disable_fork

在UVM环境中的运行结果如下：

即在5ns的时候disable fork终止了外层进程outer，进而递归终止了其内部的内层进程innerA和innerB，因此innerA、innerB、outer的结束打印信息均不会出现。

注意事项

循环中的自动变量

在fork循环中，如果使用静态变量（如下面示例中的i），那么产生的所有线程将会共享该变量，从而会导致结果有误，错误示例如下：

for(inti=0;i<10;i++)begin fork $display("UVM_Frequency: i = %0d",i);// 危险！所有线程看到的i都是最终值10join_none end

上述代码在UVM环境中的运行结果如下，所有线程看到的i都是最终值10。

正确做法是使用automatic，具体如下：

for(inti=0;i<10;i++)begin automaticintj=i;fork $display("UVM_Frequency: j = %0d",j);join_none end

上述代码在UVM环境中的运行结果如下：

join_none与#0延迟

当采用fork...join_none时，其启动的线程虽然立刻开始调度，但是在#0内（即零延时），父线程的后续代码会优先执行。
若需要子线程先执行的话，可以采用mailbox等同步机制。