【芯片驗(yàn)證】異步電路碎碎念（九）靜態(tài)對(duì)象中的隨機(jī)函數(shù)特性探究

倒序?yàn)g覽 · 發(fā)表于 2024-10-23 12:04:00

好，在前面鋪墊了八篇文章之后，終于來(lái)到了這個(gè)專欄里最想討論的地方了。
為什么好好地要在探究異步邏輯的專欄中討論起隨機(jī)的事情了呢？因?yàn)橄肓囊涣膶?duì)跨異步模塊的仿真隨機(jī)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題本身是一個(gè)挺龐大的話題，而我也沒(méi)有太多的經(jīng)驗(yàn)因此主要以探究和談?wù)摓橹�。說(shuō)到對(duì)跨異步模塊和邏輯進(jìn)行功能仿真，很多地方都提到了在模塊里引入隨機(jī)延時(shí)的思路，這個(gè)思路沒(méi)有什么問(wèn)題但是引入的隨機(jī)卻很容易讓我們掉坑里。
在驗(yàn)證環(huán)境中我們見(jiàn)得最多的隨機(jī)函數(shù)有兩個(gè)：$random和$urandom（臨時(shí)抽查：在環(huán)境中進(jìn)行隨機(jī)時(shí)要用哪個(gè)？為什么？），對(duì)于這兩個(gè)函數(shù)在環(huán)境中的隨機(jī)特性相信大家都是非常熟悉并牢記了用$urandom進(jìn)行隨機(jī)而不要使用$random。但是一旦在靜態(tài)對(duì)象中（環(huán)境是automatic記得吧）比如module、interface中使用這兩個(gè)函數(shù)，他們的特性就和在環(huán)境中不一樣了。
實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建為了直觀的總結(jié)特性，我先做了一個(gè)簡(jiǎn)單的模塊，核心代碼就是這樣：
reg [7:0]rand_value, urand_value;
always @*begin
  if(power)begin
rand_value  = $random;
urand_value = $urandom;
$display("----------------------------------------------");
$display("%m rand_value = 'h%0h",  rand_value);
$display("%m urand_value = 'h%0h", urand_value);
$display("----------------------------------------------");
  end
endpower是輸入接口，每當(dāng)power跳轉(zhuǎn)為1時(shí)會(huì)分別進(jìn)行一次$random和$urandom的隨機(jī)并將隨機(jī)結(jié)果打印出來(lái)。之后通過(guò)auto_testbench生成環(huán)境，并在環(huán)境中例化了兩個(gè)rand_test模塊：
rand_test
u_rand_test0(.power(power));
rand_test
u_rand_test1(.power(power));而后在testbench驅(qū)動(dòng)power信號(hào)，共使能3次：
logic power;
initial begin
  wait(sim_start === 1'b1);
  `DELAY(10, clk);
  power = 1'b1;
  `DELAY(1, clk);
  power = 1'b0;
  `DELAY(10, clk);
  power = 1'b1;
  `DELAY(1, clk);
  power = 1'b0;
  `DELAY(10, clk);
  power = 1'b1;
  `DELAY(1, clk);
  power = 1'b0;
  sim_finish = 1'b1;
end實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建完成。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為展示結(jié)果，分別以seed=0/1234/5678三個(gè)種子進(jìn)行了三次仿真，仿真結(jié)果如下：

這樣看起來(lái)并不是很直觀，那么通過(guò)表格對(duì)三次仿真結(jié)果進(jìn)行匯總：

特性分析先對(duì)單一仿真結(jié)果如seed=4567進(jìn)行分析，將時(shí)間軸稱之為縱向維度，將并行例化軸稱之為橫向維度：

觀察仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)如下的特性：
1.縱向看，無(wú)論是$random還是$urandom都實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)功能，且每次隨機(jī)值不同；
2.橫向看，兩個(gè)例化模塊對(duì)比，$random每次隨機(jī)的結(jié)果不同，而$urandom每次隨機(jī)的結(jié)果相同；
之后觀察三次仿真結(jié)果，進(jìn)一步得出另外的特性：
3.以不同的種子進(jìn)行仿真時(shí)，同一個(gè)例化模塊，$random的隨機(jī)結(jié)果每次都相同，而$urandom每次的隨機(jī)結(jié)果是不同的；
將這三個(gè)結(jié)論匯總在表格上：

而在我們的需求是什么呢？讓我們思考下，假設(shè)我們現(xiàn)在是對(duì)多比特信號(hào)進(jìn)行跨異步的處理，在異步路徑上我們對(duì)每個(gè)比特加入了隨機(jī)延遲（或者在同步器出口亞穩(wěn)態(tài)隨機(jī)恢復(fù)為正確值或錯(cuò)誤值），那么在通過(guò)驗(yàn)證環(huán)境進(jìn)行仿真時(shí)，我們必然希望：
1.隨機(jī)數(shù)值是可控且可以復(fù)現(xiàn)的，不同的種子隨機(jī)出不同的結(jié)果，相同的種子隨機(jī)出相同的結(jié)果，這樣可以充分覆蓋隨機(jī)場(chǎng)景，且出錯(cuò)后穩(wěn)定可復(fù)現(xiàn)；
2.橫向看，不同的比特（即每條異步走線路徑）隨機(jī)的結(jié)果不同，例如隨機(jī)延遲時(shí)，每條路徑的延遲本身就不同，如果隨機(jī)結(jié)果一致那就沒(méi)有意義了；
3.縱向看，單比特走線每次隨機(jī)的結(jié)果不同，例如這次跳變隨機(jī)恢復(fù)為正確值，下次隨機(jī)恢復(fù)為錯(cuò)誤值；
因此最符合我們預(yù)期的特性應(yīng)該是這樣的：

那么顯然，$random和$urandom都是不符合我們的需求的，$urandom_range(min, max)、std:randomize()甚至randcase都和$urandom有相近的性質(zhì)，也無(wú)法解決問(wèn)題。
所以在靜態(tài)模塊中怎么構(gòu)造我們需要特性的隨機(jī)方法呢？

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