(6)UVM phase机制

phase机制

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一、前言

  • SV的验证环境构建中,我们可以发现,传统的硬件设计模型在仿真开始前,已经完成例化和连接了;而SV的软件部分对象例化则需要在仿真开始后执行。
  • 虽然对象例化通过调用构造函数new()来实现,但是单单通过new()函数无法解决一个重要问题,那就是验证环境在实现层次化时,无法保证例化的先后关系,以及各个组件在例化后的连接。
  • 此外如果需要实现高级功能,例如在顶层到底层的配置时,SV也无法在底层组件例化之前完成对底层的配置逻辑。
  • 因此UVM在验证环境构建时,引入了phase机制,通过该机制我们可以很清晰地将UVM仿真阶段层次化。
  • 这里的层次化,不单单是各个phase的先后执行顺序,而且处于同一phase中的层次化组件之间的phase也有先后关系。

二、执行机制

  • 如果暂时抛开phase的机制剖析,对于UVM组件的开发者而言,它们主要关心各个phase执行的先后顺序。
  • 在定义了各个phase虚方法后,UVM环境会按照phase的顺序分别调用这些方法。
    (6)UVM phase机制
  • 九个phase对应九种方法,这九种方法只有component具备
  • 上面的九个phase对于一个测试环境的声明周期而言,是有固定的先后执行顺序的;同时对于同一个phase中的组件,执行也会按照层次的顺序或者自顶向下、或者自底向上来执行。
  • 对于build phase,执行顺序按照自顶向下,这符合验证结构建设的逻辑。因为只有先例化高层组件,才会创建空间来容纳底层组件。
  • 只有uvm_component及其继承于uvm_component的子类,才会按照phase机制将上面的九个phase先后执行完毕。
  • 常用的phase包括build、connect、run和report,它们分别完成了组件的建立、连接、运行和报告。这些phase在uvm_component中通过_phase的后缀完成了虚方法的定义,比如build_phase()可以定义一些组件例化和配置的任务。
  • 在所有phase中,只有run_phase方法是一个可以耗时的任务,这意味着该方法可以完成一些等待、激励、采样的任务。对于其它phase对应的方法都是函数,必须立即返回(0耗时)。
  • 在run_phase中,用户如果要完成测试,通常需要组织下面的激励序列:
  1. 上电
  2. 复位
  3. 寄存器配置
  4. 发送主要测试内容
  5. 等待DUT完成测试

三、 phase例子

package phase_order_pkg;
  import uvm_pkg::*;
  `include "uvm_macros.svh"

  class comp2 extends uvm_component;
    `uvm_component_utils(comp2)
    function new(string name = "comp2", uvm_component parent = null);
      super.new(name, parent);
      `uvm_info("CREATE", $sformatf("unit type [%s] created", name), UVM_LOW)
    endfunction
    function void build_phase(uvm_phase phase);
      super.build_phase(phase);
      `uvm_info("BUILD", "comp2 build phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("BUILD", "comp2 build phase exited", UVM_LOW)
    endfunction
    function void connect_phase(uvm_phase phase);
      super.connect_phase(phase);
      `uvm_info("CONNECT", "comp2 connect phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("CONNECT", "comp2 connect phase exited", UVM_LOW)
    endfunction
    task run_phase(uvm_phase phase);
      super.run_phase(phase);
      `uvm_info("RUN", "comp2 run phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("RUN", "comp2 run phase entered", UVM_LOW)
    endtask
    function void report_phase(uvm_phase phase);
      super.report_phase(phase);
      `uvm_info("REPORT", "comp2 report phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("REPORT", "comp2 report phase exited", UVM_LOW)   
    endfunction
  endclass
  
  class comp3 extends uvm_component;
    `uvm_component_utils(comp3)
    function new(string name = "comp3", uvm_component parent = null);
      super.new(name, parent);
      `uvm_info("CREATE", $sformatf("unit type [%s] created", name), UVM_LOW)
    endfunction
    function void build_phase(uvm_phase phase);
      super.build_phase(phase);
      `uvm_info("BUILD", "comp3 build phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("BUILD", "comp3 build phase exited", UVM_LOW)
    endfunction
    function void connect_phase(uvm_phase phase);
      super.connect_phase(phase);
      `uvm_info("CONNECT", "comp3 connect phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("CONNECT", "comp3 connect phase exited", UVM_LOW)
    endfunction
    task run_phase(uvm_phase phase);
      super.run_phase(phase);
      `uvm_info("RUN", "comp3 run phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("RUN", "comp3 run phase entered", UVM_LOW)
    endtask
    function void report_phase(uvm_phase phase);
      super.report_phase(phase);
      `uvm_info("REPORT", "comp3 report phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("REPORT", "comp3 report phase exited", UVM_LOW)   
    endfunction
  endclass
  
  class comp1 extends uvm_component;
    comp2 c2;
    comp3 c3;
    `uvm_component_utils(comp1)
    function new(string name = "comp1", uvm_component parent = null);
      super.new(name, parent);
      `uvm_info("CREATE", $sformatf("unit type [%s] created", name), UVM_LOW)
    endfunction
    function void build_phase(uvm_phase phase);
      super.build_phase(phase);
      `uvm_info("BUILD", "comp1 build phase entered", UVM_LOW)
      c2 = comp2::type_id::create("c2", this);
      c3 = comp3::type_id::create("c3", this);
      `uvm_info("BUILD", "comp1 build phase exited", UVM_LOW)
    endfunction
    function void connect_phase(uvm_phase phase);
      super.connect_phase(phase);
      `uvm_info("CONNECT", "comp1 connect phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("CONNECT", "comp1 connect phase exited", UVM_LOW)
    endfunction
    task run_phase(uvm_phase phase);
      super.run_phase(phase);
      `uvm_info("RUN", "comp1 run phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("RUN", "comp1 run phase entered", UVM_LOW)
    endtask
    function void report_phase(uvm_phase phase);
      super.report_phase(phase);
      `uvm_info("REPORT", "comp1 report phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("REPORT", "comp1 report phase exited", UVM_LOW)   
    endfunction
  endclass

  class phase_order_test extends uvm_test;
    comp1 c1;
    `uvm_component_utils(phase_order_test)
    function new(string name = "phase_order_test", uvm_component parent = null);
      super.new(name, parent);
    endfunction
    function void build_phase(uvm_phase phase);
      super.build_phase(phase);
      `uvm_info("BUILD", "phase_order_test build phase entered", UVM_LOW)
      c1 = comp1::type_id::create("c1", this);
      `uvm_info("BUILD", "phase_order_test build phase exited", UVM_LOW)
    endfunction
    function void connect_phase(uvm_phase phase);
      super.connect_phase(phase);
      `uvm_info("CONNECT", "phase_order_test connect phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("CONNECT", "phase_order_test connect phase exited", UVM_LOW)
    endfunction
    task run_phase(uvm_phase phase);
      super.run_phase(phase);
      `uvm_info("RUN", "phase_order_test run phase entered", UVM_LOW)
      phase.raise_objection(this);
      #1us;
      phase.drop_objection(this);
      `uvm_info("RUN", "phase_order_test run phase exited", UVM_LOW)
    endtask
    function void report_phase(uvm_phase phase);
      super.report_phase(phase);
      `uvm_info("REPORT", "phase_order_test report phase entered", UVM_LOW)
      `uvm_info("REPORT", "phase_order_test report phase exited", UVM_LOW)    
    endfunction
    
    task reset_phase(uvm_phase phase);
      `uvm_info("RESET", "phase_order_test reset phase entered", UVM_LOW)
      phase.raise_objection(this);
      #1us;
      phase.drop_objection(this);
      `uvm_info("RESET", "phase_order_test reset phase exited", UVM_LOW)
    endtask
    
    task main_phase(uvm_phase phase);
      `uvm_info("MAIN", "phase_order_test main phase entered", UVM_LOW)
      phase.raise_objection(this);
      #1us;
      phase.drop_objection(this);
      `uvm_info("MAIN", "phase_order_test main phase exited", UVM_LOW)
    endtask 
  endclass
endpackage

module phase_order;

  import uvm_pkg::*;
  `include "uvm_macros.svh"
  import phase_order_pkg::*;

  initial begin
    run_test(""); // empty test name
  end
endmodule

(6)UVM phase机制

  • 在上例中可以看到,build phase自顶向下执行,connect phase和report phase自低向上执行。
  • 注意看,run phase,其似乎是自顶向下执行。这是因为run_phase是task,所以它并不是等到下面的phase执行完才执行上面的phase,而是将这些run_phase通过fork…join_none的形式全部启动。所以,更加正确的说法是自下而上的启动,同时在运行。

四、十二个分支phase

在用户发送激励的一种简单方式是,在run_phase中完成上面所有的激励;另外一种方式是,如果用户可以将上面几种典型序列划分到不同高层次,让对应的激励按区间顺序发送的化,可以让测试更有层次。因此run_phase又可以分为下面12个phase:
(6)UVM phase机制

  • 实际上run_phase任务和上面细分的12个phase是并行的,即在start_of_simulation_phase任务执行之后,run_phase和reset_phase开始执行,而在shutdowm_phase执行完成之后,需要等待run_phase执行完才可以进入extract_phase。
    (6)UVM phase机制

五、UVM编译和运行顺序

(6)UVM phase机制

  • 首先在加载硬件模型调用仿真器之前,需要完成编译和建模阶段。
  • 接下来在开始仿真之前,会分别执行硬件的always/initial语句,以及UVM的调用测试方法run_test和几个phase,分别是build、connect、end_of_elaboration和start_of_simulation。
  • 在开始仿真后,将会执行run_phase或者对应的12个细分phase。
  • 在仿真结束后,将会执行剩余的phase,分别是extract、check、report和final。

六、UVM仿真开始

要在仿真开始时建立验证环境,用户可以考虑选择下面几种方式:

  • 可以通过全局函数(由uvm_pkg提供)run_test()来选择性地指定要运行哪一个uvm_test。这里的test类均继承于uvm_test。这样的话,指定的test类将被例化并指定为顶层的组件。一般而言,run_test()函数可以在合适module/program中的initial进程中调用。
  • 如果没有任何参数传递给run_test(),那么用户可以在仿真时通过传递参数+UVM_TESTNAME=<test_name>,来指定仿真时调用的uvm_test。当然,即便run_test()函数在调用时已经有test名称传递,在仿真时+UVM_TESTNAME=<test_name>也可以从顶层覆盖已指定的test。这种方式使得仿真不需要通过再次修改的run_test()调用的test名称和重复编译,就可以灵活选定test。
  • 无论上面哪一种方式,都必须在顶层调用全局函数run_test(),用户可以考虑不传递test名称作为参数,而在仿真时通过传递参数+UVM_TESTNAME=<test_name>来选择test。
  • 全局函数run_test()的重要性,正是从uvm_root创建了一个UVM世界。
    (6)UVM phase机制
    顶层类uvm_root例化的对象uvm_top
    uvm_top承担的核心职责包括:
  1. 作为隐形的UVM世界顶层,任何其他的组件实例都在它之下,通过创建组件时指定parent来构成层次。
  2. 如果parent设定为null,那么它将作为uvm_top的子组件。
  3. phase控制。控制所有组件的phase顺序。
  4. 索引功能。通过层次名称来索引组件实例。
  5. 报告配置。通过uvm_top来全局配置报告的繁简度(verbosity)。
  6. 全局报告设备。由于可以全局访问到uvm_top实例,因此UVM报告设备在组件内部和组件外部(例如module和sequence)都可以访问。

通过uvm_top调用方法run_test(test_name),uvm_top做了如下的初始化:

  1. 得到正确的test_name。
  2. 初始化objection机制。
  3. 创建uvm_test_top实例。
  4. 调用phase控制方法,安排所有组件的phase方法执行顺序。
  5. 等待所有phase执行结束,关闭phase控制进程。
  6. 报告总结和结束仿真

七、UVM仿真结束

  • UVM-1.1之后,结束仿真的机制有且只有一种,那就是利用objection挂起机制来控制仿真结束。
  • uvm_objection类提供了一种供所有component和sequence共享的计数器。如果有组件来挂起objection,那么它还应该记得落下objection。
  • 参与到objection机制中的参与组件,可以独立的各自挂起objection,来仿真run phase退出,但是只有这些组件都落下objection后,uvm_objection共享的counter才会变为0,这意味run phase退出的条件满足,因此可以退出run phase。

对于uvm_objection类,用来反停止的控制方法包括:

  1. raise_objection(uvm_object obj=null,string description="",int count=1)挂起objection
  2. drop_objection(uvm_object obj=null,string description="",int count=1)落下objection
  3. set_drain_time(uvm_object obj=null,time drain)设置退出时间

对这几种方法,在实际应用中的建议有:

  1. 对于component(),用户可以在run_phase中使用phase.raise_objection()/phase.drop_objection()来控制run phase退出。
  2. 用户最好为description字符串参数提供说明,这有利于后期的调试。
  3. 应该使用默认count值。
  4. 对于uvm_top或者uvm_test_top应该尽可能少地使用set_drain_time()。

(6)UVM phase机制

  • uvm_pkg::uvm_test_done实例会在test1的run_phase()执行完毕之后,才会退出run_phase。

  • 这得益于test1::run_phase()在仿真一开始就挂起了objection,而在执行完毕后才落下了objection。这时uvm_pkg:uvm_test_done认为run phase已经可以退出,进而转向下一个extract phase。

  • 直到退出所有phase之后,UVM进入了报告总结阶段。

  • 那么如果没有挂起objection,UVM仿真会怎么样?
    (6)UVM phase机制
    objection一般在run_phase中使用到它

  • 看起来挂起objection已经晚了,因为run_phase还是立即退出了。这是因为在挂起objection之前已经运行了1ps,而处于fork…join_none的run_phase任务在0时刻被调用后,如果run_phase退出机制在0时刻没有发现任何挂起的objection,那么就会终止所有的run_phase()任务,继而转入了extract phase。

  • 所以如果要在component中挂起objection,建议在一进入run_phase()后就挂起,保证objection counter及时被增加。

  • 另外,用户需要习惯在sequence中挂起objection,由于sequence不是uvm_component类,而是uvm_object类,因此他只有body()方法,而没有run_phase方法。

  • 所以在sequence中使用objection机制时,可以在body()中的首位部分挂起和落下objection。

关注作者

  • 自述
    作者是一位中科大数字设计专业的研究生,水平有限,如有错误,请大家指正,想要与大家一同进步。
  • 经历
    曾获得国家奖学金,“高教社杯”数学建模国家二等奖等
  • 陆续更新:
    1.与UVM验证相关的system verilog后续内容;
    2.与verilog数字设计相关的一些基础模块设计,例如FIFO,UART,I2C等的书写。
    3.保研与竞赛经历等
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