【system verilog】继续探究IC前端仿真中的“时间”，timescale，timeunit/timeprecision设置

前言

仿真中的时间单位/时间精度设置是保证验证环境稳定高效的重要手段，但是很多场景下却常常被忽视。如果没有设置合理的相对统一的时间单位/时间精度，不仅延时、打印等信息会不准确，多模块/环境协同时也会隐藏难以发现的问题。

因此，继续探究仿真中的时间概念，timescale，timeunit/timeprecision等。

timeunit/timeprecision

timeunit/timeprecision即仿真时间单位/时间精度，是仿真时间这个维度上两个重要的概念。

时间单位就是作用域对于相对延迟而言，#1时默认延迟的时间，一般而言timeunit的设置对于绝对延迟（#200ns）没有影响，不过VCS有一个意外情况疑似bug；大部分的仿真器默认的timeunit是1ns。

时间精度就是作用域能够感知的最小延时，当timeprecision=1ps时，#0.4ps会被忽略，#0.5ps会被认为#1ps，。

说起timeunit/timeprecision可能还会有点生疏，但是timescale就很熟悉了，`timescale = 1ns/1ps即timeunit=1ns，timeprecision=1ps，这个我们会在后面做细致探究。

相对时间/绝对时间

相对时间就是相对于timeunit为单位的时间，当timeunit=10ns时，#100就是#100*10ns即1000ns；绝对时间就是不想理会当前域的timeunit/timeprecision配置，延时一个绝对时间值，当然timeprecision精度以下的小数值还是会被四舍五入。

当timeunit/timeprecision=10ns/10ps时，#100ns等价于#10，#100等价于#1000ns。

一般而言为求延时准确，推荐使用绝对时间延时，但是在VCS曾经的版本中（至少2013以前版本），绝对时间延时也会出现问题。当然了，如果环境时间配置合理，所有的问题都可以得到解决。

两个重要函数

如果相对仿真时间进行探究，那么我们需要找到衡量时间的“尺子”和“显示器”，幸好SV中已经为我们内置了这两个函数。

$printtimescale

$printtimescale用来打印当前域内的timeunit/timeprecision，代码示意如下：

打印示意如下：

$timeformat

先说明下，$realtime返回64bit real型时间数值，实际上就是real型数值；$time返回64bit 整数型时间数值，小数部分四舍五入；$stime返回32bit无符号整数型，小数四舍五入。直接使用%d，%f进行打印的话，这几个函数的返回值都是相对延时或相对时间的积累值，实事求是的说这个不是我们需要的，我们需要的是绝对时间，于是乎有了$timeformat函数。

$timeformat函数是用于配置%t打印格式，可以说专门为了$realtime而生的。其配置方式如下：

$timeformat(单位，精度，后缀，最小位宽)；

例如$timeformat(-9，3，"gao_ns"，5)代表打印时间为10e-9 s即ns，精度为小数点后3位，后缀字符串为“gao_ns”，显示数值的最小位宽是5位。

示意代码如下：

打印效果如下：

分析如下：

时间单位被设置为10ns（具体如何合理设置下文见），因此绝对延时#10即为#100ns，再延时#20.123556ns+#1ps后到打印点总的延时为#120.124556ns，四舍五入为120.125ns。

为什么按照ps来四舍五入的，而不是timeprecision=ns呢？按照SV标准，这里#1ps按道理说应该被四舍五入的，但是我发现modelsim中的四舍五入是按照命令行-t配置精度来进行的，因此这里的#1ps没有被忽略，ps以下的数值会被忽略（-t default = 寻找全局最小的时间精度）。

$timeformat配置为打印以ns为单位，打印小数点后3位，后缀为..ns..，因此%t打印处120.125..ns..。

%f打印的是相对时间也就是12.0125timeunit(10ns)，因此打印为12.012500且没有后缀。

好的，那让我们把$timeformat设置好，之后就可以直接用%t了。

$timeformat(-9, 3, "..ns..", 6);

时间配置作用域

验证环境从时间配置作用域的角度，整体可以分为5个维度：module、program、interface、package，其他的归为一个域（比如各种class等）称之为compilation-unit scope。什么含义呢？也就说每一个module/program/interface/package都可以指定自己的timeunit/timeprecision，而所有的class/全局的function/task等归在一起的scope整体只能有一个timeunit/timeprecision。

如何设置timeunit/timeprecision

timeunit/timeprecision

可以使用关键字timeunit/timeprecision来设置，SV规定timeunit/timeprecision能定义在module、program、interface、package、scope中，但是必须设置在最前面。

对于module/program/interface/package很好理解，比如刚刚我就是设置在program最前面的，作用域就是当前的module/program/interface/package：

那么对于compilation-unit scope呢？需要保证timeunit/timeprecision设置的位置是除了module/program/interface/package之外第一个被编译文件的最前面。比如说：

timeunit 10ns;
timeprecision 1ns;
class A;
    .....
endclass

如果这个文件是module/program/interface/package之外第一个被编译文件，那么这个配置会生效compilation-unit scope；否则的话，会报编译问题。

`timescale

`timescale是timeunit/timeprecision的补充，用来指定按照编译顺序，当前`timescale之后，下一个`timescale之前，不含有关键字timeunit/timeprecision的所有module/program/interface/package的时间单位和精度。从module/program/interface/package的角度来说，就是当其本身内部没有timeunit/timeprecision时，使用他之前、离其最近的`timescale。

举两个例子，例子1：

`timescale 1ns/10ps
module AA;
    timeunit 10ns;
    timeprecision 1ps;
    .....
endmodule

module BB;
    .....
endmodule

`timescale 1ns/1ps
module CC;
    .....
endmodule

AA的timeunit/timeprecision=10s/1ps，BB的timeunit/timeprecision=1ns/10s，CC的timeunit/timeprecision=1ns/1ps。

例子2：

`timescale 1ns/10ps
module AA;
    timeunit 10ns;
    timeprecision 1ps;
    .....
endmodule

module BB;
    `timescale 1ns/1ps
    .....
endmodule

module CC;
    .....
endmodule

同样，AA的timeunit/timeprecision=10s/1ps，BB的timeunit/timeprecision=1ns/10s，CC的timeunit/timeprecision=1ns/1ps。因为`timescale没有作用域的概念，只看编译顺序。从module/program/interface/package的角度来说，就是当其本身内部没有timeunit/timeprecision时，使用他之前、离其最近的`timescale。

-timescale

VCS提供了编译选项-timescale=timeunit/timeprecision作为`timescale的补充，其作用是等价于整个编译环境的第一个`timescale，因此作用的文件就是编译开始到第一个`timescale之前，不含有关键字timeunit/timeprecision的所有module/program/interface/package。

SV不允许有的模块有`timescale，有的没有，因此当用VCS进行仿真时，应该使用-timescale作为全局第一个`timescale来避免这一问题。

-unit_timescale

明确一下，SV标准中要求compilation-unit scope只受到关键字timeunit/timeprecision控制，不受`timescale影响，没有timeunit/timeprecision时采用默认时间单位/精度。但是这样处理的话，timeunit/timeprecision还必须在编译的最前面，因此对文件的编译顺序要求很大，稍微有变动或者集成的话就会引入问题。

VCS的处理方式是引入了-unit_timescale命令行，来指定compilation-unit scope的时间单位/精度，具体规则是：

•  -unit_timescale和compilation-unit scope的timeunit/timeprecision同时存在，以timeunit/timeprecision为准；
•  -unit_timescale存在，compilation-unit scope的timeunit/timeprecision不存在，以-unit_timescale为准；
•  -unit_timescale不存在，无论compilation-unit scope的timeunit/timeprecision是否存在，以最后一个生效的`timescale为准（这一条与SV标准不符），注意一定要是最后一个作用于module/program/interface/package且生效的`timescale；

举个例子：

`timescale 10ns/1ns;

class A;
endcalss

`timescale 1ns/10ps;
module B;
endmodule

`timescale 1ns/10ps;

如果这个是最后一个编译文件了，或者module B之后没有其他的module/program/interface/package使用`timescale 1ns/10ps了，那么class A的时间单位/精度=1ns/10ps。

-override_timescale

VCS命令行，强制覆盖所有timescale，强烈不推荐使用。

-t(modelsim)

-t指令，modelsim命令行，替换所有timeprecision，强烈不推荐使用。

这个-t会把全局的精度修改，从延时角度看，-t ns时候ns以下的延时会做四舍五入，但是奇怪的是直接打印timescale并未显示，此处未作深入探究。

VCS的怪现象

VCS旧版本中，对于compilation-unit scope中的绝对延时有一个bug处理，他会先把绝对延时根据离他最近的timescale转换成相对时延，然后再根据本模块timescale转成真正的时延。举个例子例如下面的代码：

编译选项-timescale=10ns/1ps

class A;
    task xx;
        #100ns;
    endtask
endclass

`timescale 1ns/1ps
module B;
    .....
endmodule

更具上面的处理原则，class A的timescale是1ns/1ps。但是VCS在处理时，却先把#100ns根据-timescale=10ns/1ps把#100ns转换成了#1000，然后根据compilation-unit scope的设置，转化成了#1000ns，然后就与我们预期情况不符了。。。

不知道现在的VCS版本是不是纠正过来了，我也没有试过。

构造绝对精准的延时

做一个标准延时模块

前面说了，module/program/interface/package本身最高优先级是关键字timeunit/timeprecision，利用这一特性，我们可以构造一个专门为仿真准备的标准时延模块。

module delay_ns;
    timeunit 1ns;
    timeprecision 1ps;
    task delay(real_time delay_time);
        #delay_time;
    endtask
endmodule

class A;
    task aaa;
        delay_ns.delay(5);
    endtask
endclass

因为module delay_ns的时延是绝对准确的，因此compilation-unit scope中使用时候时延也是绝对准确的。

合理配置各种“时间”

例如在使用VCS进行仿真时，如无特殊需求，-unit_timescale、-timescale设置为一致，避免class中的怪异延迟。

harness前的`timescale如无特殊需求，也和前两者保持一致！