fork join和for循环结合的实际应用

已于 2022-08-23 20:23:26 修改
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分类专栏： 验证 文章标签： systemverilog uvm
于 2022-03-15 15:52:22 首次发布
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/geter_CS/article/details/123502118
本文详细介绍了Verilog中的fork...join、fork...join_any和fork...join_none三种并行结构的工作原理及其在实际应用中的区别。通过示例代码展示了如何在并行执行任务中处理变量共享和同步问题，强调了在for循环中使用fork...join-none配合动态变量和waitfork来实现并行进程的正确同步。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

fork …join 结构中，父进程会被阻塞直到所有的子进程结束；
fork...join_any 结构中，父进程会被阻塞直到其中任意一个子进程结束；
fork.... join_none 父进程会立即与产生的所有进程并发执行。
fork中每条语句并行执行 ，如果将多个语句封装在一个 begin …end 块中会将整个块 作为单个进程执行，其中每条语句顺序地执行。
实际应用：
实际应用中，我们通常会使用了for循环和fork join_none来并行启动多个进程（这样不用写哪些重复的代码）。
for+fork...join
首先说明使用for+fork...join是 不能实现并行启动多个进程，因为fork...join是会阻塞父进程的，外部的for循环是主程序一部分，所以fork...join也会阻塞for循环的进行。如下代码的结果·中，从打印的时间，看三次for循环并没有并行（即使使用automatic也一样的，这是fork...join阻塞父进程决定的）： 
`timescale 1ns/1ns

module top();
	int a;
	int i;

	task lab(int i);
		a<=i;
		#1;
		$display("a=%0d,time=%0t",i,$time);
	endtask
	initial begin

		for(int j=0;j<3;j++) begin
			fork
				$display("j=%0d,time=%0t",j,$time);
				lab(j);
			join
		end
		$display("main,time=%0t",$time);
		#10;
		$finish;
	end
endmodule

结果：

*Verdi* : Begin traversing the scopes, layer (0).
*Verdi* : Enable +all dumping.
*Verdi* : End of traversing.
ucli% run 1000ns
j=0,time=0
a=0,time=1
j=1,time=1
a=1,time=2
j=2,time=2
a=2,time=3
main,time=3
$finish called from file "lab13_fork.sv", line 22.
$finish at simulation time                   13
           V C S   S i m u l a t i o n   R e p o r t

for+fork...join_none

fork...join_none则不会阻塞父进程，因此使用for+fork...join_none才能实现并行启动多个进程。当我们将上面代码改为fork...join_none：

代码：

`timescale 1ns/1ns

module top();
	int a;
	int i;

	task lab(int i);
		a<=i;
		#1;
		$display("a=%0d,time=%0t",i,$time);
	endtask
	initial begin

		for(int j=0;j<3;j++) begin
			fork
				$display("j=%0d,time=%0t",j,$time);
				lab(j);
			join_none
		end
		$display("main,time=%0t",$time);
		#10;
		$finish;
	end
endmodule

结果：

*Verdi* : Begin traversing the scopes, layer (0).
*Verdi* : Enable +all dumping.
*Verdi* : End of traversing.
ucli% run 1000ns
main,time=0
j=3,time=0
j=3,time=0
j=3,time=0
a=3,time=1
a=3,time=1
a=3,time=1
$finish called from file "lab13_fork.sv", line 22.
$finish at simulation time                   10
           V C S   S i m u l a t i o n   R e p o r t

可以看到打印的三个时间是一样的了说明是并行，但是a的值是一样的，这是因为SV中function和task默认都是静态的（注意：在module或initial中是默认静态的，所以这里表现出来是静态的。来自路桑的提醒），这些静态的function和task里面的局部变量会使用共享的静态存储区，所以不同的线程之间会窜用这些变量，可以在unction和task加入automatic改做动态的，此外还需要一个动态变量来接收for循环的j，不然结果依然，这是因为并行启动时j已经等于3了，此时各个进程会共用一个j。改变后代码如下：

`timescale 1ns/1ns

module top();
	int a;
	int i;

	task automatic lab(int i);
		a<=i;
		#1;
		$display("a=%0d,time=%0t",i,$time);
	endtask
	initial begin

		for(int j=0;j<3;j++) begin
			fork
				automatic int k=j;
				$display("k=%0d,time=%0t",k,$time);
				lab(k);
			join_none
		end
		$display("main,time=%0t",$time);
		#10;
		$finish;
	end
endmodule

结果：

*Verdi* : Begin traversing the scopes, layer (0).
*Verdi* : Enable +all dumping.
*Verdi* : End of traversing.
ucli% run 1000ns
main,time=0
k=0,time=0
k=1,time=0
k=2,time=0
a=0,time=1
a=1,time=1
a=2,time=1
$finish called from file "lab13_fork.sv", line 23.
$finish at simulation time                   10
           V C S   S i m u l a t i o n   R e p o r t

但是上面结果有另外一个问题，如果for循环后面display这个语句执行是和整个循环并行的（打印的time是0），因为fork...join_none并没有阻塞父进程。如果for后面代码依赖for循环内的并行进程时，我们就希望在for内所有进程都执行完再执行for后面的父进程。此时，我们就需要加上一个隔离进程。

for+fork...join_none+fork..join

因为fork...join可以阻塞父进程，所以我们可以在for外面在套一个fork...join作为隔离，此外我们需要使用wait fork来等待子进程执行完成。如下结果中我们可以看到display的打印已经在time=1。说明for后面主进程是在并行进程执行完之后执行的。

代码：

`timescale 1ns/1ns

module top();
	int a;
	int i;

	task automatic lab(int i);
		a<=i;
		#1;
		$display("a=%0d,time=%0t",i,$time);
	endtask
	initial begin
		fork 
			begin
				for(int j=0;j<3;j++) begin
					fork
						automatic int k=j;
						$display("k=%0d,time=%0t",k,$time);
						lab(k);
					join_none
				end
				wait fork;
			end
		join
		$display("main,time=%0t",$time);
		#10;
		$finish;
	end
endmodule

结果：

*Verdi* : Enable +all dumping.
*Verdi* : End of traversing.
ucli% run 1000ns
k=0,time=0
k=1,time=0
k=2,time=0
a=0,time=1
a=1,time=1
a=2,time=1
main,time=1
$finish called from file "lab13_fork.sv", line 27.
$finish at simulation time                   11
           V C S   S i m u l a t i o n   R e p o r t

automatic int k=j；这句和其余两句如果放在begin ... end中，比如:

结果是：

 结果会是k都一样都为最后一个（这个的原因：我自己的理解是automatic也在begin end中那么对于父进程（fork join_none）就是不可见的，因为是局部的，这样相当于又隔了一层，而automatic如果是在begin end外面那么对于父进程（fork join_none）就是可见的，对于父进程来说他就是父进程的automatic 变量，并且对父进程的子进程可见）。如果automatic的这句单独用begin end包起来，这样k属于局部变量在第二个begin begin中会不能使用。

在实际代码中，我们可能需要同时送不同的item给不同的sequencer，而这不同的item之间又需要同步发送，那么就需要使用这样的组合。比如下面代码：

		fork
			begin
			for(int j=0;j<seq_id.size();j++) begin
				fork 
					automatic int k=j;
					begin
						string tr_name=$sformatf("px_tr_seq%0d",k);
						px_tr_img[k]=pixel_transaction::type_id::create(tr_name, ,get_full_name());
						`uvm_info("image_gen_sequence",$sformatf("Send sequence%0d's px_tr_img ...",seq_id[k]),UVM_LOW);
						start_item(px_tr_img[k],-1,p_sequencer.px_sqr[k]);
						px_tr_img[k].copy(px_tr);
						for(int i=0;i<(2+1);i++) begin//parameter from ghl
							px_tr_img[k].data_in0[i]=block_img[k][0][i];
							px_tr_img[k].data_in1[i]=block_img[k][1][i];
						end
						finish_item(px_tr_img[k]);
						`uvm_info("image_gen_sequence",$sformatf("Finish send sequence%0d's px_tr_img ...",seq_id[k]),UVM_LOW);
					end
				join_none
			end

			wait fork;
			end
		join

注意px_tr_img一定不能申明为队列，因为是并行，而队列中如果前一个元素没有创建，后一个元素是不能创建的，所以px_tr_img只能是定数组或动态数组。（提醒自己）

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