【UVM学习笔记】更加灵活的UVM

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【UVM学习笔记】UVM基础—一文告诉你UVM的组成部分
【UVM学习笔记】UVM中的“类”

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前言
一、TLM是什么？
二、put操作
- 2.1、建立PORT和EXPORT的连接
- 2.2 IMP组件
三、get操作
四、transport端口
五、nonblocking端口
六、analysis端口
七、monitor与scoreboard之间的通信
八、使用FIFO通信
总结

前言

该专题用于记录学习UVM芯片验证的过程，主要学习书籍为经典的《UVM实战》，同时也会去进行一些UVM的项目联系。

一、TLM是什么？

TLM是Transaction Level Modeling(事务级建模)的缩写。所谓transaction level是相对DUT中各个模块之间信号线级别的通信来说的。
TLM通常有三种模式：

put操作，通信的发起者A把一个transaction发送给B。在这个过程中，A称为“发起者”，而B称为“目标”。A具有的端口(用方框表示)称为PORT，而B的端口(用圆圈表示)称为EXPORT。这个过程中，数据流是从A流向B的。
get操作。在这个过程中，A依然是“发起者”，B依然是“目标”，A上的端口依然是PORT，而B上的端口依然是EXPORT。这个过程中,数据流是从B流向A的。PORT和EXPORT体现的是控制流而不是数据流。

在这里插入图片描述

transport操作，transport操作相当于一次put操作加一次get操作，这两次操作的“发起者”都是A，目标都是B。在这个过程中,数据流先从A流向B，再从B流向A。在现实世界中, 相当于是A向B提交了一个请求(request),而B返回给A一个应答(response)。

在这里插入图片描述

二、put操作

2.1、建立PORT和EXPORT的连接

UVM中使用connect函数来建立连接关系。如A要和B通信(A是发起者)，那么可以这么写：A.port.connect(B.export)。下面是A的代码部分：

class A extends uvm_component;
   `uvm_component_utils(A)

   uvm_blocking_put_port#(my_transaction) A_port;
   function new(string name, uvm_component parent);
      super.new(name, parent);
   endfunction

   extern function void build_phase(uvm_phase phase);
   extern virtual  task main_phase(uvm_phase phase);
endclass

function void A::build_phase(uvm_phase phase);
   super.build_phase(phase);
   A_port = new("A_port", this);
endfunction

task A::main_phase(uvm_phase phase);
endtask

然后得到B的代码：

class B extends uvm_component;
   `uvm_component_utils(B)

   uvm_blocking_put_export#(my_transaction) B_export;
   function new(string name, uvm_component parent);
      super.new(name, parent);
   endfunction

   extern function void build_phase(uvm_phase phase);
   extern virtual  task main_phase(uvm_phase phase);
endclass

function void B::build_phase(uvm_phase phase);
   super.build_phase(phase);
   B_export = new("B_export", this);
endfunction

task B::main_phase(uvm_phase phase);
endtask

然后在env将两者进行链接

class my_env extends uvm_env;

   A   A_inst;
   B   B_inst;
   
   
   function new(string name = "my_env", uvm_component parent);
      super.new(name, parent);
   endfunction

   virtual function void build_phase(uvm_phase phase);
      super.build_phase(phase);

      A_inst = A::type_id::create("A_inst", this);
      B_inst = B::type_id::create("B_inst", this);

   endfunction

   extern virtual function void connect_phase(uvm_phase phase);
   
   `uvm_component_utils(my_env)
endclass

function void my_env::connect_phase(uvm_phase phase);
   super.connect_phase(phase);
   A_inst.A_port.connect(B_inst.B_export);
endfunction

2.2 IMP组件

除了TLM中定义的PORT与EXPORT外，UVM中加入了第三种端口：IMP，起作用相当于在EXPORT后进行接受操作。
添加IMP后，A的代码变为：

task A::main_phase(uvm_phase phase);
   my_transaction tr;
   repeat(10) begin
      #10;
      tr = new("tr");
      assert(tr.randomize());
      A_port.put(tr);
   end
endtask

在B中需要改动的要多一点：

class B extends uvm_component;
   `uvm_component_utils(B)

   uvm_blocking_put_export#(my_transaction) B_export;
   uvm_blocking_put_imp#(my_transaction, B) B_imp;
   function new(string name, uvm_component parent);
      super.new(name, parent);
   endfunction

   extern function void build_phase(uvm_phase phase);
   extern function void connect_phase(uvm_phase phase);
   extern function void put(my_transaction tr);
   extern virtual  task main_phase(uvm_phase phase);
endclass

function void B::build_phase(uvm_phase phase);
   super.build_phase(phase);
   B_export = new("B_export", this);
   B_imp = new("B_imp", this);
endfunction

function void B::connect_phase(uvm_phase phase);
   super.connect_phase(phase);
   B_export.connect(B_imp);
endfunction

function void B::put(my_transaction tr);
   `uvm_info("B", "receive a transaction", UVM_LOW) 
   tr.print();
endfunction

在上述连接关系中，IMP是作为连接的终点。在UVM中，只有IMP才能作为连接关系的终点。如果是PORT或者EXPORT作为终点，则会报错。

三、get操作

get系列端口与put系列端口在某些方面完全相反。在这种连接关系中，数据流依然是从A到B，但是A由动作发起者变成了动作接收者，而B由动作接收者变成了动作发起者。
在这里插入图片描述
B_port的类型为uvm_blocking_get_port,A_export的类型为uvm_blocking_get_export,A_imp的类型为uvm_blocking_get_imp。A的代码为：

class A extends uvm_component;
   `uvm_component_utils(A)

   uvm_blocking_get_export#(my_transaction) A_export;
   uvm_blocking_get_imp#(my_transaction, A) A_imp;
   my_transaction tr_q[$];
   function new(string name, uvm_component parent);
      super.new(name, parent);
   endfunction

   extern function void build_phase(uvm_phase phase);
   extern function void connect_phase(uvm_phase phase);
   extern virtual  task get(output my_transaction tr);
   extern virtual  task main_phase(uvm_phase phase);
endclass

function void A::build_phase(uvm_phase phase);
   super.build_phase(phase);
   A_export = new("A_export", this);
   A_imp = new("A_imp", this);
endfunction

function void A::connect_phase(uvm_phase phase);
   super.connect_phase(phase);
   A_export.connect(A_imp); 
endfunction

task A::get(output my_transaction tr);
   while(tr_q.size() == 0) #2;
   tr = tr_q.pop_front();
endtask

task A::main_phase(uvm_phase phase);
   my_transaction tr;
   repeat(10) begin
      #10;
      tr = new("tr");
      tr_q.push_back(tr); 
   end
endtask

在A的get任务中，每隔2个时间单位检查tr_q中是否有数据，如果有则发送出去。当B在其main_phase调用get任务时，会最终执行A的get任务。在A的connect_phase，需要把A_export和A_imp连接起来。下面是B的部分：

class B extends uvm_component;
   `uvm_component_utils(B)

   uvm_blocking_get_port#(my_transaction) B_port;
   function new(string name, uvm_component parent);
      super.new(name, parent);
   endfunction

   extern function void build_phase(uvm_phase phase);
   extern virtual  task main_phase(uvm_phase phase);
endclass

function void B::build_phase(uvm_phase phase);
   super.build_phase(phase);
   B_port = new("B_port", this);
endfunction

task B::main_phase(uvm_phase phase);
   my_transaction tr;
   while(1) begin
      B_port.get(tr);
      `uvm_info("B", "get a transaction", UVM_LOW) 
      tr.print();
   end
endtask

在这些连接关系中,需要谨记的是连接的终点必须是一个IMP。

四、transport端口

在这里插入图片描述
A代码如下所示：

task A::main_phase(uvm_phase phase);
   my_transaction tr;
   my_transaction rsp;
   repeat(10) begin
      #10;
      tr = new("tr");
      assert(tr.randomize());
      A_transport.transport(tr, rsp);
      `uvm_info("A", "received rsp", UVM_MEDIUM)
      rsp.print();
   end
endtask

B中需要定义一个类型为uvm_blocking_transport_imp的IMP：

class B extends uvm_component;
   `uvm_component_utils(B)

   uvm_blocking_transport_imp#(my_transaction, my_transaction, B) B_imp;
   function new(string name, uvm_component parent);
      super.new(name, parent);
   endfunction

   extern function void build_phase(uvm_phase phase);
   extern task transport(my_transaction req, output my_transaction rsp);
endclass

function void B::build_phase(uvm_phase phase);
   super.build_phase(phase);
   B_imp = new("B_imp", this);
endfunction

task B::transport(my_transaction req, output my_transaction rsp);
   `uvm_info("B", "receive a transaction", UVM_LOW) 
   req.print();
   //do something according to req
   #5;
   rsp = new("rsp");
endtask

env中的代码是：

function void my_env::connect_phase(uvm_phase phase);
   super.connect_phase(phase);
   A_inst.A_transport.connect(B_inst.B_imp);
endfunction

在A中调用transport任务，并把生成的transaction作为第一个参数。B中的transaport任务接收到这笔transaction，根据这笔transaction做某些操作，并把操作的结果作为transport的第二个参数发送出去。A根据接收到的rsp来决定后面的行为。

五、nonblocking端口

task A::main_phase(uvm_phase phase);
   my_transaction tr;
   repeat(10) begin
      tr = new("tr");
      assert(tr.randomize());
      while(!A_port.can_put()) #10;
      void'(A_port.try_put(tr));
   end
endtask

由于端口变为了非阻塞的，所以在送出transaction之前需要调用can_put函数来确认是否能够执行put操作。can_put最终会调用B中的can_put:

六、analysis端口

UVM中还有两种特殊的端口：analysis_port和analysis_export。该端口有两点需要注意的地方：

一个analysis_port(analysis_export)可以连接多个IMP，analysis_port(analysis_export)与IMP 之间的通信是一对多的通信。analysis_port(analysis_export)更像是一个广播。
put与get系列端口都有阻塞和非阻塞的区分。但是对于analysis_port和analysis_export来说,没有阻塞和非阻塞的概念。

一个analysis_port可以和多个IMP相连接进行通信，但是IMP的类型必须是uvm_analysis_imp,否则会报错。
在这里插入图片描述
下面是A的代码：

class A extends uvm_component;
   `uvm_component_utils(A)

   uvm_analysis_port#(my_transaction) A_ap;
   function new(string name, uvm_component parent);
      super.new(name, parent);
   endfunction

   extern function void build_phase(uvm_phase phase);
   extern virtual  task main_phase(uvm_phase phase);
endclass

function void A::build_phase(uvm_phase phase);
   super.build_phase(phase);
   A_ap = new("A_ap", this);
endfunction

task A::main_phase(uvm_phase phase);
   my_transaction tr;
   repeat(10) begin
      #10;
      tr = new("tr");
      assert(tr.randomize());
      A_ap.write(tr);
   end
endtask

A的代码很简单，只是简单地定义一个analysis_port，并在main_phase中每隔10个时间单位写入一个transaction。
B的代码为：

function void B::write(my_transaction tr);
   `uvm_info("B", "receive a transaction", UVM_LOW) 
   tr.print();
endfunction

在env中通过下面方式进行连接：

function void my_env::connect_phase(uvm_phase phase);
   super.connect_phase(phase);
   A_inst.A_ap.connect(B_inst.B_imp);
   A_inst.A_ap.connect(C_inst.C_imp);
endfunction

上面只是一个analysis_port与IMP相连的例子。analysis_export和IMP也可以这样相连接,只需将上面例子中的uvm_analysis_port改为uvm_analysis_export就可以。

七、monitor与scoreboard之间的通信

和上一个一样，在两段分别进行定义，monitor的代码为：

task my_monitor::main_phase(uvm_phase phase);
   my_transaction tr;
   while(1) begin
      tr = new("tr");
      collect_one_pkt(tr);
      ap.write(tr);
   end
endtask

scoreboard的代码为：

function void my_scoreboard::write_monitor(my_transaction tr);
   my_transaction  tmp_tran;
   bit result;
   if(expect_queue.size() > 0) begin
      tmp_tran = expect_queue.pop_front();
      result = tr.compare(tmp_tran);
      if(result) begin 
         `uvm_info("my_scoreboard", "Compare SUCCESSFULLY", UVM_LOW);
      end
      else begin
         `uvm_error("my_scoreboard", "Compare FAILED");
         $display("the expect pkt is");
         tmp_tran.print();
         $display("the actual pkt is");
         tr.print();
      end
   end
   else begin
      `uvm_error("my_scoreboard", "Received from DUT, while Expect Queue is empty");
      $display("the unexpected pkt is");
      tr.print();
   end
endfunction

之后在env中可以使用connect连接。
由于monitor与scoreboard在UVM树中并不是平等的兄妹关系，这里选择下面的连接方式：
在agent中声明一个ap,但是不实例化它,让其指向monitor中的ap。在env中可以直接连接agent的ap到scoreboard的imp：

agent:
class my_agent extends uvm_agent ; 
	uvm_analysis_port #(my_transaction) ap; 
	...  
	function void my_agent::connect_phase(uvm_phase phase); 
		ap = mon.ap; 
		...  
	endfunction 
endclass 
env:
function void my_env::connect_phase(uvm_phase phase); 
	o_agt.ap.connect(scb.scb_imp); 
		...  
endfunction

在上面的例子中，scoreboard只接收一路数据。但在现实情况中，scoreboard除了接收monitor的数据之外，还要接收reference model的数据。相应的scoreboard就要再添加一个 uvm_analysis_imp的IMP。此时问题就出现了，由于接收到的两路数据应该做不同的处理，所以这个新的IMP也要有一个write任务与其对应。但是write只有一个，怎么办?
可以使用宏定义的方法：

`uvm_analysis_imp_decl(_monitor)
`uvm_analysis_imp_decl(_model)
class my_scoreboard extends uvm_scoreboard;
   	my_transaction  expect_queue[$];
	uvm_analysis_imp_monitor#(my_transaction, my_scoreboard) monitor_imp; 
	uvm_analysis_imp_model#(my_transaction, my_scoreboard) model_imp;
   `uvm_component_utils(my_scoreboard)

   extern function new(string name, uvm_component parent = null);
   extern virtual function void build_phase(uvm_phase phase);
   extern virtual task main_phase(uvm_phase phase);
endclass

上述代码通过宏uvm_analysis_imp_decl声明了两个后缀_monitor和_model。
当与monitor_imp相连接的analysis_port执行write函数时,会自动调用write_monitor函数,而与model_imp相连接的analysis_port执行write 函数时,会自动调用write_model函数。

八、使用FIFO通信

使用fifo的方法能够让两个端口都能实现主动的接收，因此下面的例子便是利用FIFO来实现monitor和scoreboard的通信。
FIFO的本质是一块缓存加两个IMP。在monitor与FIFO的连接关系中，monitor中依然是analysis_port，FIFO中是uvm_analysis_imp，数据流和控制流的方向相同。在scoreboard与FIFO的连接关系中，scoreboard中使用blocking_get_port端口：

class my_scoreboard extends uvm_scoreboard;
   my_transaction  expect_queue[$];
   uvm_blocking_get_port #(my_transaction)  exp_port[16];
   uvm_blocking_get_port #(my_transaction)  act_port;
   `uvm_component_utils(my_scoreboard)

   extern function new(string name, uvm_component parent = null);
   extern virtual function void build_phase(uvm_phase phase);
   extern virtual task main_phase(uvm_phase phase);
endclass

而FIFO中使用的是一个get端口的IMP。在这种连接关系中，控制流是从scoreboard到FIFO，而数据流是从FIFO到scoreboard。

在env中连接方式如下：

function void my_env::connect_phase(uvm_phase phase);
   super.connect_phase(phase);
   i_agt.ap.connect(agt_mdl_fifo.analysis_export);
   mdl.port.connect(agt_mdl_fifo.blocking_get_export);
   for(int i = 0; i < 16; i++) begin
      mdl.ap[i].connect(mdl_scb_fifo[i].analysis_export);
      scb.exp_port[i].connect(mdl_scb_fifo[i].blocking_get_export);
   end
   o_agt.ap.connect(agt_scb_fifo.analysis_export);
   scb.act_port.connect(agt_scb_fifo.blocking_get_export); 
endfunction

FIFO中有两个IMP，但是在上面的连接关系中，FIFO中却是EXPORT，这是为什么呢？实际上，FIFO中的analysis_export和blocking_get_export虽然名字中有关键字export，但是其类型却是IMP。UVM为了掩饰IMP的存在，在它们的命名中加入了export关键字。
但事实上，FIFO上的端口并不局限于上述两个，一个FIFO中有众多的端口。端口列表如下：