Systemverilog中的Driving Strength讲解

在systemverilog中，net用于对电路中连线进行建模，driving strength(驱动强度)可以让net变量值的建模更加精确。net变量拥有4态逻辑值(0,1,z,x)，它的driving strength有(supply,strong,pull,weak,highz)。net的值由连接到net的driver源(驱动源)决定的，这些driver源可以是连续赋值语句(例如assign)，也可以是门级建模原语(例如门级or或and或cmos等)。

在每个Δ仿真周期中，仿真器通过查看net上所有驱动源的逻辑值(logical value)和强度值(strength level)来决定该net的逻辑值和强度值。如果net没有驱动源，那么它的值将是’z’态。如果net只有1个驱动源，那么它的逻辑值和强度值等于驱动源的值和强度。但是，如果net有多个驱动源，那么需要比较它们的强度值了，强度最大的驱动源将成功驱动net。不过如果有多个强度最大的驱动源，但它们的逻辑值不一样的话，net的逻辑值将会是’x’态，强度值是最强的strength。

需要注意的是driving strength是用于gate输出和连续赋值语句输出的(assign)。对于非net类型的多驱动，仿真工具会报多驱的编译错误。

Systemverilog的driving strength level(驱动强度)有以下几种：

Mnemonic	Strength name	Strength level	Keywords
Su	Supply drive	7	supply0, supply1
St	Strong drive	6	strong0, strong1
Pu	Pull drive	5	pull0, pull1
La	Large capacitor	4	large
We	Weak drive	3	weak0, weak1
Me	Medium capacitor	2	medium
Sm	Small capacitor	1	small
Hi	High impedance	0	highz0, highz1

上述strength level可以归为3类：

• Driving strength：supply，strong，pull和weak
• Charge storage strength：large，medium和small
• High impedance：highz

Charge storage strength只用于trireg类型的net。

Driving strength的语法如下：

drive_strength ::=
  ( strength0 , strength1 )
| ( strength1 , strength0 )
| ( strength0 , highz1 )
| ( strength1 , highz0 )
| ( highz0 , strength1 )
| ( highz1 , strength0 )
strength0 ::= supply0 | strong0 | pull0 | weak0
strength1 ::= supply1 | strong1 | pull1 | weak1
charge_strength ::= ( small ) | ( medium ) | ( large )

strength0表示当驱动源驱动net为0时的驱动强度。Strength1表示当驱动源驱动net为1时的驱动强度。

net默认的strength level是(strong0, strong1)。对于pullup和pulldown gate，默认的strength level是pull。trireg默认的strength level是medium。Supply net的默认strength level是supply。另外从上面syntax看出，(highz1, highz0)和(highz0, highz1)的strength level组合是非法的。

结合上面的理论讲解，给出1个例子如下：

module strength;
  
  logic i1, i2;
  wire logic out;
  
  assign (supply1, weak0) out = i1;
  assign (pull1, supply0) out = i2;
  
  initial begin
    i1 = 1'b0;
    i2 = 1'b0;
    $strobe("[time:%0t],i1:%b, i2:%b, out:%b, out_strength:%v", $time, i1, i2, out, out);
    #1ns;
    i1 = 1'b0;
    i2 = 1'b1;
    $strobe("[time:%0t],i1:%b, i2:%b, out:%b, out_strength:%v", $time, i1, i2, out, out);
    #1ns;
    i1 = 1'b1;
    i2 = 1'b0;
    $strobe("[time:%0t],i1:%b, i2:%b, out:%b, out_strength:%v", $time, i1, i2, out, out);
    #1ns;
    i1 = 1'b1;
    i2 = 1'b1;
    $strobe("[time:%0t],i1:%b, i2:%b, out:%b, out_strength:%v", $time, i1, i2, out, out);
  end
  
endmodule

使用Questasim仿真输出的log结果为：

# [time:0],i1=0, i2=0, out=0, out_strength=Su0
# [time:1],i1=0, i2=1, out=1, out_strength=Pu1
# [time:2],i1=1, i2=0, out=x, out_strength=SuX
# [time:3],i1=1, i2=1, out=1, out_strength=Su1

我们来分析下上述输出结果:

"assign (supply1, weak0) out = i1"行给net类型的out驱动i1的值，其中strength1为supply1(level=7)，strength0为weak0(level=3)。12行给net类型的out驱动i2的值，其中strength1为pull1(level=5)，strength为supply0(level=7)。

" assign (pull1, supply0) out = i2"行给net类型的out驱动i2的值，其中strength1为pull1(level=5)，strength为supply0(level=7)。

Time	Input	output and strength level	结果分析
0	i1=0, i2=0	out=0, out_strength=Su0	weak0(level=3)小于supply0(level=7)，out结果为0，strength level为supply0
1	i1=0, i2=1	out=1, out_strength=Pu1	weak0(level=3)小于pull1(level=5)，out结果为1，strength level为pull1
2	i1=1, i2=0	out=x, out_strength=SuX	supply1(level=7)等于supply0(level=7)，out结果为x，strength level为supplyX
3	i1=1, i2=1	out=1, out_strength=Su1	supply1(level=7)大于pull1(level=5)，out结果为1，strength level为supply1

Driving strength还有很多其它的组合，大家可以复制上述代码，并修改assign out语句的strength0与strength1去产生其它的组合并分析结果。

另外，大家可能好奇如何打印出net变量的strength level？在systemverilog中提供了%v格式化打印。%v的输出是3个字符的string类型，前2个字符指示strength类型，第三个字符指示当前逻辑值。比如上述log中的Su0或Pu1或SuX或Su1。