断言（SVA）

1、assertion作用

assertion用于设计功能和时序做比较的属性描述。
断言（assertion）可以用来完成：

• 检查设计的内容
• 提高设计的可视度和调试能力
• 检查设计特性在验证中是否被覆盖
• 可读性好，因此也可以用来服务于设计文档

用来检查算法模型的断言在形式验证（formal verification）中可以穷尽计算，找出可能的违例（violation）

可以自由地打开或关闭

一小部分子集甚至可以用来综合或者移植到emulation中，用来完成跨平台的移植

2、断言覆盖率

仿真工具可以报告断言覆盖率，来指示哪些断言没有被触发？
帮助检查是否验证计划捕捉到了所有需要的覆盖率
断言覆盖率和功能覆盖率可以共同量化验证进度
断言语言
在verilog中不支持断言，因此需要写过程语句来做代替

一些支持断言的语言：

Sugar（IBM）进化为PSL（Property Specification Language）
OVA-Vera
Specman/e
ForSpec（intel）
上述语言的有点功能进化为SVA，因此SVA作为SV相对独立的语言分支，值得我们花足够的精力来学习掌握它。

3、断言类型划分

== 立即断言（immediate assertion）==

• 非时许的
• 执行时如同过程语句
• 可以在initial/always过程块或者task/function中使用
  == 并行断言（concurrent assertion）==
• 时序性的
• 关键词property用来区分立即断言和并行断言
• 之所以称之为并行，是因为他们与设计模块一同并行执行

3.1立即断言

[name: ] assert (expression) [pass_statement] [else fail_statement]

time t;
always@(posedge clk)
	if(state == REQ)
		assert (req || req2)
		else begin
			t = $time;
			#5 $error("assert failed at time %0t", t);
		end

立即断言可以结合$ fatal/$ error/$ warning/$info给出不同严重级别的消息提示。

assert (myfunc(a,b)) count1 = count + 1; else ->event1;
assert (y==0) else flag = 1;
always @ (state)
  assert (state == $onehot) else $fatal;

3.2并行断言

base_rule1: assert property (cont_prop (rst, in1, in2)) pass_stat else fail_state;

Request-Grant协议描述：request拉高，在2个周期后，grant拉高，在1个周期后，request拉低，在1个周期后，grant拉低。

property req_grant_prop
	@(posedge clk) req ##2 gnt ##1 !req !gnt;
endproperty
assert property req_grant_prop else $error("Req-Gnt Protocol violation");

并行断言只会在时钟边沿激活，变量的值是采样到的值。

并行断言的执行阶段
SV的仿真调度机制如下图，并行断言的执行如下：

在preponed阶段采样稳定的变量值
在observe阶段执行并行断言
在reactive区域执行pass/fail语句
通过这种当时保证并行断言执行会采样的稳定的设计信号变量。

4. assertion, property, sequence

• assertion可以直接包含一个property
• assertion也可以清晰地独立声明property

assert property(@(posedge clk)
	disable iff(!reset)
	a |=>b ##1 c);

assert property(my_prop);
property my_prop;
	@(posedge clk)
		disable iff (!reset)
		a |=>b ##1 c;
endproperty

• 在property内部可以有条件地关闭

• property块可以直接包含sequence

• 复杂的property也可以独立声明多个sequence

sequence s1;
	@(posedge clk) a ##1 b ##1 c;
endsequence
sequence s2;
	@(posedge clk) a ##1 c;
endsequence
property p1;
	@(posedge clk) disable iff(!reset)
	s1 |=> s2;
endproperty

4.1sequence

• sequence是用来表示在一个或者多个时钟内的时序描述。

• sequence是property的基本构建模块，并经过组合来描述复杂的功能属性。

sequence s1;
	@(posedge clk) a ##1 b ##1 c;
endsequence
sequence t1;
	(a ##[2:3] b) or (c ##[1:2] d);
endsequence

• sequence用来提供下列场景描述：

  (1) 第一个时钟周期，第一个表达式成立的。
  (2) 接下来在若干个时钟周期后，第二个表达式也成立。
  (3) 以此类推，在接下来的若干个时钟周期，后续表达式也成立。

• sequence可以在module、interface、program、clocking块和package中声明，一般在interface中声明。

• sequence也可以提供形式参数，用来提高复用性

sequence s20_1(data, en);
  (!frame && (data==data_bus)) ##1 (c_be[0:3]==en);
endsequence

• 蕴含（implication）操作符用来表示，如果property中左边的先行算子（antecedent）成立，那么property右边的后续算子（consequent）才会被计算。

• 如果线性算子不成功，那么整个属性就默认地被认为成功，这叫做“空成功”（vacuous success）。

• 蕴含结构只能用在属性定义中，不能再序列中使用。

• 蕴含可以分为两类：交叠蕴含（overlapped implication）和非交叠蕴含（non-overlapped implication）。

  (1)|->交叠操作符

• 如果条件满足，则评估其后续算子序列。

• 如果条件不满足，则表现为空成功，不执行后续算子。
  
  (2) |=>非交叠操作符

• 如果条件满足，则在下一个周期评估其后续算子序列。

• 如果条件不满足，则表现为空成功，不执行后续算子。
  

4.1.1 基本操作符

1.##用来表示周期延迟符号，例如##n表示在n个时钟周期后，##0表示在当前周期，即交叠周期。

sequence a_b;
	@(posedge clk) a ##1 b;
endsequence

2.##[min : max]表示在一个范围内的时钟周期延迟。min、max必须是非负数，序列会在min到max时间窗口中最早的时间来匹配。

sequence a_b;
	@(posedge clk) a ##[1:5] b;
endsequence

3.$ 用来表示无穷大的周期（在仿真结束前），但是一般我们不建议这么做，因为他会增大仿真评估序列的负担。
时间也可以通过[*n]操作符来表示重复。n必须为非负数，其不能为$。

sequence a_b;
	@(posedge clk) a ##[1:$] b;
endsequence

4.时间也可以通过[*n]操作符来表示重复。n必须为非负数，其不能为$。

sequence a_b;
	@(posedge clk) a ##1 b[*2];
endsequence

5.类似的，也可以使用[*m:n]来标识一定范围内的重复事件。

sequence a_b;
	@(posedge clk) a ##1 b[*2:5];
endsequence

6.[=m]用来表示一个事件的连续新，需要重复发生m次，但是并不需要在连续周期内发生。

b[=3]表示b必须在3个周期内为1，但是并不需要是连续的3个周期。

sequence a_b;
	@(posedge clk) a ##1 b[=3];
endsequence

7.例如，执行了一次burst read操作，期望读的数据和ack信号在接下来的四个周期内返回，但是不需要连续的四个周期，即可以用[=4]来表示。

8.类似的，[=m:n]用来表示从最小m到最大n的重复发生的非连续周期次数。

9.a[*0]用来表示没有任何正数时钟周期内有效。

10.例如a[*0:3] ##1 b ##1 c与哪些情形匹配？

• (b ##1 c)
• (a ##1 b ##1 c)
• (a ##1 a ##1 b ##1 c)
• (a ##1 a ##1 a ##1 b ##1 c)
  11.and用来表示两个序列需要保持匹配

用法：seq1 and seq2

下列情形满足此操作符：

• 在从两个起始点开始后，seq1和seq2均满足。
• 满足的时刻发生在两个序列都满足的周期，即稍晚序列的满足时刻。
• 两个序列的满足事件可以不同。
  如果操作符两边的序列都是用来衡量采样信号而非事件时序，那么- 则要在相同周期内，and左右两边的时序都应该满足条件。

12.intersect操作符

用法：seq1 intersect seq2

• 需要两边的序列在同意时钟周期内匹配

• 需要在同一时钟周期结束

13.or操作符

用来表示两个序列至少需要有一个满足

用法：seq1 or seq2

下列情形满足此操作符：

• seq1和seq2都从同一个时刻被触发。
• 最终满足seq1或者满足seq2。
• 每一个序列的结束事件可以不同，结束时间以序列满足的最后一个序列时间为准。
  14.and/or应用
  如果burst write长度为4，那么写的长度可以为1，2，4。

property BurstLengthValid
	@(posedge clk) disable iff (!rst)
	((burstLen==4) |-> 
		(wrlen==1) or (wrlen==2) or (wrlen==4));
endproperty
assert property(BurstLengthValid)

15.first_match操作符

first_match用来从多次满足的序列中选择第一次满足时刻，从而放弃其他满足的时刻。

sequence t1;
	te1 ##[2:5] te2;
endsequence

t1序列可以用来匹配te1 ##2 te2，te1 ##3 te2，te1 ##4 te2，te1 ##5 te2。

sequence t1;
	first_match(te1 ##[2:5] te2);
endsequence

此序列用来选择第一次匹配的时刻。

16.throughout操作符

可以用来检查一个信号或者一个表达式在贯穿（throughout）一个序列时是否满足要求。

用法：sig1/exp1 throughout seq

例如，在burst模式信号拉低以后的2个周期时，irdy/trdy也应该在连续7个周期内保持为低，同时burst模式信号也应该在这一连续周期内保持为低。

sequence burst_rule1;
	@(posedge mclk)
	$fell(burst_mode) ##0
	(!burst_mode) throughout (##2 ((trdy==0) && (irdy==0)) [*7]);
endsequence

17.within操作符

可以用来检查一个序列与另一个序列在部分周期长度上的重叠

用法：seq1 within seq2

如果当seq1满足在seq2的一部分连续时钟周期内成立，seq1 within seq2成立。

例如，trdy需要在irdy下拉的一个周期后保持7个周期为低，同时irdy也将保持8个周期为低，一下序列会在第11个周期满足。

!trdy[*7] within (($fell irdy) ##1 !irdy[*8])

18.if操作符

可以在sequence中使用if…else

例如当master_req为高时，下一个周期，req1或者req2应该为高，如果req1为高，则下一个周期ack1为高，如果req2为高，则下一个周期ack2为高。

property master_child_regs;
	@(posedge clk) master_req ##1 (req1 || req2)
	if(req1)
	  (##1 ack1)
	else
	  (##1 ack2);
endproperty

19.检测序列的终点

用法：seq.ended

在某一时刻，序列如果及时抵达终点，那么条件满足。

例如，在inst为高的下一个周期，序列e1应该结束或者已经结束。

seqence e1;
	@(posedge sysclk) $rose(ready) ##1 proc1 ##1 proc2;
endsequence
seqence rule;
	@(posedge sysclk) reset ##1 inst ##1 e1.ended ##1 branch_back;
endsequence

20.局部变量

局部变量可以在sequence或者property中使用

这些变量会伴随这sequence、property动态创建

每一个sequence实例都会有自己的变量拷贝

例如在cache rdDone拉高后，读出的rdData会在2个周期后，在其基础上加1，并作为wrData写入。

sequence rd_cache_done;
	##[1:5] rdDone;
endsequence
sequence check_reg_wr_data;
	int local_data;
	(rd_cache_done, local_data=cache_rd_data) ##2 (reg_wr_data==(local_data+1));
endsequence

21.调用方法

在序列匹配时，可以调用task、void function和系统函数

例如，可以在s1序列末尾，分别打印出e和f变量被采样的数值。

sequence s1;
	logic v,w;
	(a,v=e) ##1
	(b[->1],w=f, $display("b after a with v = %h, w=%h\n",v,w))
endsequence

22.访问采样方法

• 一些系统函数可以用来访问指定类型的采样变量

(1)用来访问当前周期采样值
(2)用来访问上一个采样周期
(3)用来检测采样变量的变化
$ rose(expression[,clocking_event])和$fell(expression[,clocking_event])用来表示与上一个采样周期相比，变量最低位是否跳变位1或者0，满足条件返回1，否则返会0，clocking_event在sequence中不需要单独提供，因为sequence中一般会指定采样时钟。

$stable(expression[,clocking_event])，用来表示两个采样周期内，表达式值保持不变，如果满足，返回1，否则，返回0。

$past(expr[, num_cycles][, gating_expr][, clocking_event])用来访问在过去若干采样周期前的数值。

在默认情况下，num_cycles=1，及采样1个周期前的数值。

例如，在ack拉高时的前两个周期，req信号应该为高。

property ReqCausedAck;
	@(posedge clk) $rose(ack) |-> $past(req,2);
endproperty

$rose, $fell, $stable也可以在过程怪语句和连续赋值中使用

always @(posedge clk)
	TestDone <= stimulus_over & $rose(unit_done);
always@(posedge clk)beign
	if($stable(my_sig))begin
		$display($time, "my_sig is stable from previous clk");
	end
end
assign intr_clear = $fell(intr, @(posedge clk));
assign intr_set = $rose(intr,@(posedge clk));

23.系统函数和方法

类似于之前的访问采样方法，我们还可以使用其他一些系统函数和方法，在sequence/property/assertion中使用：

• $countbits
• $onehot
• $isunknow
• $countones
  这些系统函数也可以用在一般的过程语句块和幅值语句中。

在assertion或者property中，可以通过“disable iff”来给assertion做局部的条件控制。

在全局控制仿麦呢，我们也可以通过系统函数对property模块或者实例做出控制：

• $asserton，默认控制，用来打开所有的assertion。
• $assertoff，暂停assertion运行。
• $assertkill，终止所有执行的assertion。
  
  

4.2Property

结合sequence（序列）对时序和逻辑的描述，property（属性）可以用来描述设计的确切行为。

Property可以在验证中用来做assumption，checker或者coverage：

• 当使用assert关键词时，可以用作checker拉检查设计是否遵循property的描述。
• 当使用assume关键词时，可以作为环境的假设条件，对于仿真环境和形式验证均起到对激励进行假设的作用。
• 当使用cover关键词时，可以将property是否真正通过作为断言覆盖率来衡量。
  Property可以在module、interface、clocking块或者package中声明。

Property也可以同sequence一样具备形式参数。

共有七种property：

• sequence
• negation
• disjunction
• conjunction
• if…else
• implication
• instantiation
  1.sequence类型

对于sequence类型的property，只有出现满足该sequence条件时，property才可以通过

2.negation类型

对于negation类型，即not property_expr。如果property_expr不满足，那么negation类型的property即通过。

property rule;
	@(clkev) disable iff(foo) a |-> not (b ##1 c ##1 d);
endproeprty

3.disjunction（or）

用法：property_expr1 or property_expr2，当至少一个property_expr满足条件时，property即通过。

property rule;
	@(posedge clk) a[*2] |-> ((##[1:3] c) or (d |-> e));
endproperty

4.conjunction（and）

用法：property_expr1 and property_expr2，当至少一个property_expr满足条件时，property即通过。

property rule;
	@(posedge clk) a[*2] |-> ((##[1:3] c) and (d |-> e));
endproperty

5.if(expression) property_expr1 else property_expr2

6.implication蕴含，同sequence中用法一致，sequence_expr{|->,|=>} property_expr

7.instantiation用法即一个命名后的property可以在另一个property_expr中所使用。

property rule1(x,y);
	##! |-> y;
endproperty
property rule2;
	@(posedge clk)
	a ##1 (b || c)[->1] |->
		if(b)
			rule1(d,e)
		else
			f;
endproperty

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