一些個(gè)SystemVerilog高效仿真技巧

做動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證通常會(huì)遇到要等待仿真結(jié)果的情況，特別是在調(diào)試某個(gè)測(cè)試用例的時(shí)候。很多時(shí)候，工程師們會(huì)自然地認(rèn)為仿真速度大部分依賴于跑仿真任務(wù)的服務(wù)器本身的性能，以及EDA仿真工具的能力。而實(shí)際上，高效的驗(yàn)證環(huán)境以及代碼質(zhì)量也是影響仿真速度的關(guān)鍵因素。

另一方面，提高仿真速度這回事，對(duì)于芯片工程師來(lái)說(shuō)本身就是“求人不如求己”。提高服務(wù)器機(jī)器性能意味著更大的資金投入，更高性能的仿真工具也不是一時(shí)半會(huì)能達(dá)成的。而探索更高效的驗(yàn)證方法學(xué)，構(gòu)建更高執(zhí)行效率的代碼是當(dāng)下就能做的事情。

本文的主要內(nèi)容參考來(lái)自于Cliff Cummings在2019年DVCon會(huì)議上發(fā)表的文章：Yikes! Why is My SystemVerilog Still So Slooooow. 這篇文章主要探討了SystemVerilog仿真速度跟Coding風(fēng)格之間的關(guān)系，文章中有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、方法和數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)。本文將摘錄和分析那些對(duì)仿真速度影響較大的編碼風(fēng)格。

使用向量操作代替單bit操作

仿真器在做完整向量計(jì)算的速度比單bit計(jì)算要高。根據(jù)參考文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)，在某款仿真工具下，最高提速可以達(dá)到3倍以上。

下面是一個(gè)例程，分別呈現(xiàn)不同的代碼實(shí)現(xiàn)風(fēng)格。

避免在循環(huán)中實(shí)例化對(duì)象

這個(gè)技巧關(guān)系到內(nèi)存的分配和回收。低效的內(nèi)存管理會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的cache miss、堆棧管理開(kāi)銷和垃圾回收開(kāi)銷，盡管這些都是操作系統(tǒng)幫我們做的。

當(dāng)我們需要一種新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以使用結(jié)構(gòu)體struct就不用class，類的例化和垃圾回收都是開(kāi)銷。創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，不要上來(lái)就是一個(gè)new，可以考慮是否可以重用之前創(chuàng)建過(guò)的對(duì)象。

如下例程，應(yīng)用這個(gè)技巧在三款主流仿真工具上都能帶來(lái)仿真速度收益，最高有超過(guò)一半的速度提升。

條件判斷字符串處理

在仿真過(guò)程中不斷地打印信息或者讀寫(xiě)文件會(huì)導(dǎo)致仿真速度非常慢，畢竟調(diào)用計(jì)算機(jī)IO效率并不高。在UVM中有健全的report管理機(jī)制，可以根據(jù)設(shè)定的verbosity等級(jí)來(lái)判斷是否需要打印信息出來(lái)。

除了信息打印，字符串的格式處理也是很大的開(kāi)銷。如果借用report的管理機(jī)制來(lái)判斷是否有必要進(jìn)行字符串格式處理，可以非常有效地提高仿真速度。

如下例程，帶有條件判斷的代碼在三款主流仿真工具上都能帶來(lái)仿真速度收益，而且這個(gè)收益非常大，達(dá)到了33倍~100倍。

減少不必要的端口采樣或驅(qū)動(dòng)

這是另一種減少不必要操作的技巧。要知道在UVM中，操作TLM analysis port是開(kāi)銷比較大的，因?yàn)槎丝诘尿?qū)動(dòng)行為，都會(huì)通過(guò)回調(diào)機(jī)制來(lái)執(zhí)行關(guān)聯(lián)到該端口的所有consumer的端口動(dòng)作。理解這個(gè)實(shí)現(xiàn)機(jī)制，其實(shí)還得看看UVM的源碼，這里就不做展開(kāi)解析了。

此外，某些個(gè)analysis port是否連接到其他component是依賴于當(dāng)前的驗(yàn)證環(huán)境的，如果根據(jù)analysis port的狀態(tài)判斷是否進(jìn)行端口驅(qū)動(dòng)，可以減少一些不必要的操作。

如下例程，在monitor的run_phase中根據(jù)其analysis port狀態(tài)來(lái)進(jìn)行端口采樣和廣播給其他組件，可以帶來(lái)一部分的仿真速度收益。

用回調(diào)函數(shù)代替低效的隨機(jī)約束

SystemVerilog提供了很多種隨機(jī)化變量和添加隨機(jī)約束的方法，具體可以參考公眾號(hào)的另外兩篇文章《暗藏玄機(jī)的SV隨機(jī)化》《五花八門(mén)的SystemVerilog隨機(jī)約束》。在設(shè)計(jì)隨機(jī)約束的時(shí)候，除了要確保約束不沖突（即約束有解）之外，還需要避免產(chǎn)生無(wú)效的約束解。

其實(shí)，SV已經(jīng)提供了pre_randomize() / post_randomize()兩個(gè)分別在求解隨機(jī)值前后會(huì)執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)。靈活使用這兩個(gè)函數(shù)可以避免一些非常低效的約束行為。

如下例程，使用post_randomize對(duì)隨機(jī)后的數(shù)列進(jìn)行排序，可以避免在約束中使用循環(huán)去限制每一個(gè)數(shù)列元素，從而獲得數(shù)十倍的仿真速度提升。

參考文獻(xiàn)

[1] Cliff Cummings, John Rose, Adam Sherer. "Yikes! Why is My SystemVerilog Still So Slooooow." (2019)

[2] IEEE Standard Association. "IEEE Standard for SystemVerilog-Unified Hardware Design, Specification, and Verification Language." (2013).

審核編輯 黃昊宇