SystemVerilog之线程间通信

SystemVerilog 中的线程（Thread）是仿真过程中并发执行的基本单元，用于描述硬件或验证平台的并发行为。在复杂的数字系统验证中，多线程协同工作是实现高效验证的关键。SystemVerilog提供了强大的线程控制机制和多种线程间通信（Inter-Process Communication, IPC）方法，能够有效解决并发执行中的同步与数据交换问题。本文深入探讨SystemVerilog中的事件（Event）、旗语（Semaphore）、信箱（Mailbox）三个核心机制，并通过代码示例分析其应用场景。

1 线程基础与通信需求

SystemVerilog通过fork...join、fork...join_any和fork...join_none实现线程的动态创建。由于线程可能同时访问共享资源或需要协调执行顺序，通信机制成为避免竞争条件（Race Condition）和保证数据完整性的关键。

fork...join会阻塞父线程直到所有子线程执行完成，用于严格同步；

fork...join_any在任一子线程完成后即恢复父线程，其余子线程后台运行，适用于超时控制；

fork...join_none不阻塞父线程，直接启动子线程并行执行，常用于异步任务触发。三者分别对应“全等待”、“任一触发”和“无等待”的并发模式。

2 核心通信机制详解

2.1事件（Event）：硬件级同步触发器

Verilog事件可以实现线程的同步。就像在打电话时一个人等待另一个人的呼叫,在Verilog中,一个线程总是要等待一个带@操作符的事件。这个操作符是边沿敏感的,所以它总是阻塞着,等待事件的变化。其他的线程可以通过->操作符来触发事件,解除对第一个线程的阻塞。

SystemVerilog从几个方面对Verilog事件做了增强。事件现在成为了同步对象的句柄,可以传递给子程序。这个特点允许你在对象间共享事件,而不用把事件定义成全局的。最常见的方式是把事件传递到一个对象的构造器中。

在Verilog中,当一个线程在一个事件上发生阻塞的同时,正好另一个线程触发了这个事件,则竞争的可能性便出现了。如果触发线程先于阻塞线程执行,则触发无效SystemVerilog引人triggered()函数,可用于查询某个事件是否已被触发,包括在当前时刻。线程可以等待这个函数的结果,而不用在@操作符上阻塞。

用一段代码来说明：

event my_event;

// 线程1：触发事件两次
initial begin
  #10ns;
  -> my_event;  // 第一次触发（@ 会捕获，wait 也会捕获）
  #10ns;
  -> my_event;  // 第二次触发（@ 可能错过，wait 会捕获）
end

// 线程2：使用 @ 操作符（边沿敏感，可能错过事件）
initial begin
  #15ns;  // 延迟，使第一次触发已经发生
  @(my_event);  // 等待下一个事件跳变（可能错过第一次触发）
  $display("@ 捕获事件 at %0t", $time);
end

// 线程3：使用 wait(event.triggered)（电平敏感，不会错过事件）
initial begin
  #15ns;  // 延迟，使第一次触发已经发生
  wait(my_event.triggered);  // 检测事件是否被触发过（不会错过）
  $display("wait 捕获事件 at %0t", $time);
end

运行结果：

@ 捕获事件 at 20
wait 捕获事件 at 15

2.2旗语（Semaphore）：资源访问控制锁

semaphore可以实现对同一资源的访问控制。对于初学者而言，无论线程之间在共享什么资源，都应该使用semaphore等资源访问控制的手段，以此避免可能出现的问题。semaphore有三种基本操作，new()方法可以创建一个带单个或者多个钥匙的semaphore，使用get()可以获取一个或者多个钥匙，而put()可以返回一个或者多个钥匙。如果你试图获取一个semaphore而希望不被阻塞，可以使用try_get()函数。它返回1表示有足够多的钥匙，而返回0则表示钥匙不够。

module semaphore_example;
  semaphore sem = new(2); // 初始化旗语，允许最多 2 个线程同时访问
  
  // 共享资源（模拟内存访问）
  logic [7:0] shared_memory [0:255];
  
  // 线程1：尝试访问共享资源
  initial begin : thread1
    $display("[%0t] Thread1: 尝试获取资源...", $time);
    sem.get(1); // 获取 1 个钥匙（如果无钥匙可用，则阻塞）
    $display("[%0t] Thread1: 获取资源成功，开始操作...", $time);
    #10ns; // 模拟操作耗时
    sem.put(1); // 释放钥匙
    $display("[%0t] Thread1: 操作完成，释放资源", $time);
  end
  
  // 线程2：尝试访问共享资源
  initial begin : thread2
    $display("[%0t] Thread2: 尝试获取资源...", $time);
    sem.get(1); // 获取 1 个钥匙
    $display("[%0t] Thread2: 获取资源成功，开始操作...", $time);
    #20ns; // 模拟操作耗时
    sem.put(1); // 释放钥匙
    $display("[%0t] Thread2: 操作完成，释放资源", $time);
  end
  
  // 线程3：尝试访问共享资源
  initial begin : thread3
    $display("[%0t] Thread3: 尝试获取资源...", $time);
    sem.get(1); // 获取 1 个钥匙
    $display("[%0t] Thread3: 获取资源成功，开始操作...", $time);
    #15ns; // 模拟操作耗时
    sem.put(1); // 释放钥匙
    $display("[%0t] Thread3: 操作完成，释放资源", $time);
  end
endmodule

运行结果

[0] Thread1: 尝试获取资源...
[0] Thread1: 获取资源成功，开始操作...
[0] Thread2: 尝试获取资源...
[0] Thread2: 获取资源成功，开始操作...
[0] Thread3: 尝试获取资源... (阻塞，因为 semaphore 已满)
[10] Thread1: 操作完成，释放资源
[10] Thread3: 获取资源成功，开始操作...
[15] Thread3: 操作完成，释放资源
[20] Thread2: 操作完成，释放资源

2.3信箱（Mailbox）：线程安全通信管道

线程之间传递信息可以使用mailbox，它是一种类似于队列（queue）的对象，需要通过new()进行实例化，并可选择指定size参数来限制其最大存储容量；若size为0或未指定，则mailbox容量无限，能存储任意数量的数据。

使用put()方法可以向mailbox写入数据，若mailbox已满，该方法会阻塞，直到有空间可用；使用get()方法可以从中读取并移除数据，若mailbox为空，该方法也会阻塞；此外，peek()方法可以获取数据的拷贝而不移除它，同样会在mailbox为空时阻塞。由于这些方法可能涉及等待，因此在设计线程同步机制时，必须明确区分阻塞方法（如put()、get()、peek()）和非阻塞方法（如try_put()、try_get()），以避免死锁或性能问题，确保线程间的高效通信和协调。

module mailbox_example;
  mailbox #(int) mbx = new(3); // 创建容量为 3 的邮箱（存储 int 类型数据）
  
  // 生产者线程：发送数据到邮箱
  initial begin : producer
    for (int i = 1; i <= 5; i++) begin
      #5ns; // 模拟数据生成延迟
      if (mbx.try_put(i)) begin
        $display("[%0t] Producer: 发送数据 %0d", $time, i);
      end else begin
        $display("[%0t] Producer: 邮箱已满，无法发送 %0d", $time, i);
      end
    end
  end
  
  // 消费者线程：从邮箱接收数据
  initial begin : consumer
    int received_data;
    #10ns; // 延迟启动，让生产者先发送一些数据
    forever begin
      #10ns; // 模拟处理延迟
      if (mbx.try_get(received_data)) begin
        $display("[%0t] Consumer: 接收数据 %0d", $time, received_data);
      end else begin
        $display("[%0t] Consumer: 邮箱为空，无数据可读", $time);
      end
    end
  end
  
  // 仿真结束条件（避免无限循环）
  initial begin
    #50ns;
    $display("[%0t] 仿真结束", $time);
    $finish;
  end
endmodule

运行结果

[5] Producer: 发送数据 1
[10] Producer: 发送数据 2
[10] Consumer: 接收数据 1
[15] Producer: 发送数据 3
[20] Producer: 发送数据 4
[20] Consumer: 接收数据 2
[25] Producer: 发送数据 5
[25] Producer: 邮箱已满，无法发送 5
[30] Consumer: 接收数据 3
[40] Consumer: 接收数据 4
[50] 仿真结束

在SystemVerilog中，event、semaphore和mailbox是三种关键的线程同步与通信机制，各自适用于不同的场景。

event是最轻量级的同步机制，主要用于简单的触发通知，比如标志某个事件的发生。它本身不携带数据，仅提供信号通知功能，适合线程间的简单同步。多个event可以组合使用，实现更复杂的同步逻辑。

semaphore用于管理共享资源的访问，确保多线程环境下对临界区的安全操作。它通过计数机制控制资源的使用权，比如限制同时访问某个资源的线程数量，防止数据竞争或冲突。

mailbox是SystemVerilog内置的线程间通信FIFO，支持数据的缓存和传递。相比event和semaphore，它不仅能同步线程，还能存储和传输数据，适用于生产者-消费者模型等需要数据交换的场景。

总结来说，event适用于简单通知，semaphore用于资源访问控制，而mailbox则适合数据通信。合理选择这些机制可以高效实现线程间的同步与数据交互。