systemverilog之program与module的区别

为避免仿真和设计竞争问题(race condition)，systemverilog中引入了program的概念。

在Verilog中，调度如下图所示：

从图中可以看出，阻塞赋值与非阻塞赋值的调度是不一样的，其中#0的阻塞延时赋值则处在中间的调度区域。
对于systemverilog来说，就多添加了几种调度区域。如下图所示

前三个为Verilog准备的，observed处于中间部分，是为SV中的属性断言准备的，该区域的值已经稳定，避免了因采集数据不稳定而导致的属性断言错误。在reactive域正式进行断言判断。

通过几个栗子说明情况：

module counter(input clk);
  bit [3:0] cnt;

  always @(posedge clk) begin
    cnt <= cnt + 3;
    $display("%0t DUT cnt = %0d", $time, cnt);
  end
endmodule

module tb1;
bit clk;
bit [3:0] cnt;

  initial begin
    forever #5ns clk <= ~clk;
  end
  counter counter_inst(clk);
  always @(posedge clk) begin
    $display("%0t TB cnt = %0d", $time, counter_inst.cnt);
  end
endmodule

仿真结果如下：

run 50ns
# 5 DUT cnt = 0
# 5 TB cnt = 0
# 15 DUT cnt = 3
# 15 TB cnt = 3
# 25 DUT cnt = 6
# 25 TB cnt = 6
# 35 DUT cnt = 9
# 35 TB cnt = 9
# 45 DUT cnt = 12
# 45 TB cnt = 12

因为打印函数处于active调度区域，非阻塞赋值处于NBA调度区域，因此采样到的是变化前的值，即#5时采样得到的是0不是1；其他同理。

如果我们把仿真激励改为如下：

module tb2;
bit clk1;
bit clk2;
bit [3:0] cnt;

  initial begin
    forever #5ns clk1 <= !clk1;
  end

  always @(clk1) begin
    clk2 <= clk1;
  end

  counter dut(clk1);

  always @(posedge clk2) begin
    $display("%0t TB cnt = %0d", $time, dut.cnt);
  end
endmodule

那么仿真结果则如下：

run 50ns
# 5 DUT cnt = 0
# 5 TB cnt = 3
# 15 DUT cnt = 3
# 15 TB cnt = 6
# 25 DUT cnt = 6
# 25 TB cnt = 9
# 35 DUT cnt = 9
# 35 TB cnt = 12
# 45 DUT cnt = 12
# 45 TB cnt = 15

这是因为clk2和clk1之间存在非阻塞赋值，赋值区域在NBA区，按照先后顺序，一个采样得到的是变化前的值，一个得到的是变化后的值。

因此我们如果Testbench中也一味地使用module，就有可能出现上述第二种问题，在此我不是说这种不行，而是我们需要能控制住采样时刻。那么如果我们有时候需要采样第二种情况，难道每次都需要这样做吗？使用两个采样信号？

在SV中，我们可以使用Program实现上述情况：

假设我们把第一种testbench改为program，如下所示：

module counter(input clk);
    bit [3:0] cnt;
  
    always @(posedge clk) begin
      cnt <= cnt + 1;
      $display("@%0t DUT cnt = %0d", $time, cnt);
    end
  endmodule
  
program dsample(input clk);
  
    initial begin
      forever begin
        @(posedge clk); 
        $display("@%0t TB cnt = %0d", $time, dut.cnt);
      end
    end
endprogram
  
  
module test_tb_top;
  bit clk1;
  bit [3:0] cnt;
  
    initial begin
      forever #5ns clk1 <= !clk1;
    end
  
    counter dut(clk1);
    dsample spl(clk1);
endmodule

此时仿真结果和第二次一致，这是因为program的采样是在reactive中进行的，此时数据已经是变化后的稳定值，不会出现竞争的情况。

因此，我们一般推荐在Testbench中使用program，在设计dut中使用module，在顶层module中例化dut的module和 testbench的program。

program中的注意点：

• program中不能例化其他program和module
• 不能出现interface和always，可以使用initial forever替代always
• program内部可以发起多个initial块
• program中内部定义的变量最好采用阻塞赋值，当然采用非阻塞仿真器也不会产生error，驱动外部信号则应该采用非阻塞赋值
• program中的initial块和module中的initial块执行位置不同，前者在reactive，后者在active块中执行。
• program中存在的多个initial块中，如果有一个initial采用了退出系统函数$exit（），则会结束该program，而不仅仅是该initial块。