systemverilog功能覆盖率

一、功能覆盖率

功能覆盖率是和设计意图紧密相连的，专注于功能特性的实现和覆盖，有时也被称为“规范覆盖率”，而代码覆盖率则是衡量设计的实现情况。设想某个代码块在设计中被漏掉的情况。代码覆盖率不能覆盖这个错误，但是功能覆盖率可以。

• 功能覆盖率：

  • 定义：功能覆盖率是衡量验证过程中设计功能是否被充分测试的指标。它关注的是设计的功能需求是否被覆盖，而不是代码本身的执行情况。

  • 目标：确保设计的功能需求（如协议规范、算法逻辑、接口行为等）在验证过程中被充分测试。

  • 实现方式：通过定义覆盖率点（如 covergroup 和 coverpoint）来监控特定的功能行为。这些覆盖率点通常与设计的功能需求直接相关。

• 代码覆盖率：

  • 定义：代码覆盖率是衡量验证过程中设计代码的哪些部分被执行的指标。它关注的是代码的执行情况，而不是功能需求。

  • 目标：确保设计代码的每一部分（如行、分支、条件、状态机等）在验证过程中被充分执行。

  • 实现方式：通过工具自动收集代码的执行情况，如行覆盖率、分支覆盖率、条件覆盖率等。

SystemVerilog语言本身提供了对功能覆盖率的支持。通过使用covergroup、coverpoint、cross等关键字，可以在SV代码中定义覆盖率模型，从而在仿真过程中收集功能覆盖率数据。

二、覆盖组的定义和建仓（bin）

2.1 覆盖组定义

covergroup cov;
   coverpoint data;
endgroup:cov
​
covergroup uart_coverage @(posedge clk);
  coverpoint baud_rate {
    bins standard = {9600, 19200, 38400, 57600, 115200};
    bins others = default;
  }
  coverpoint data_bits {
    bins data_width = {5, 6, 7, 8};
    bins others = default;
  }
  cross baud_rate, data_bits {
    bins valid_combinations = (standard with data_width);
  }
endgroup

covergroup 是一个 SystemVerilog 的结构，用于定义覆盖率点。它通常包含以下内容：

• coverpoint：定义单个信号或表达式的覆盖率点。

• cross：定义多个信号或表达式的交叉覆盖率点。

• bins：定义覆盖率点的取值范围或特定值。

coverpoint 用于定义单个信号或表达式的覆盖率点。它可以包含以下内容：

• bins：定义取值范围或特定值。

• wildcard：定义通配符范围。

• ignore_bins：定义忽略的取值范围。

• illegal_bins：定义非法的取值范围。

coverpoint signal {
  bins low = {0};
  bins high = {1};
  bins others = default;
}

cross 用于定义多个信号或表达式的交叉覆盖率点。它可以包含以下内容：

• bins：定义交叉取值范围或特定值。

• wildcard：定义通配符范围。

• ignore_bins：定义忽略的交叉取值范围。

• illegal_bins：定义非法的交叉取值范围。

cross signal1, signal2 {
  bins valid_combinations = (signal1 == 0 && signal2 == 0);
}

2.2建仓（bin）

"仓(bin)"用来记录覆盖组中覆盖点的每个数值被捕捉到的次数，是衡量覆盖率的基本单位。

建仓就是在覆盖率点中定义具体的取值范围或特定值。

2.2.1自动创建仓

正常情况下，自动创建仓就是根据覆盖点的值域范围创建，变量位宽为N，则会有2的N次方个仓（不会超过64个）。

在 SystemVerilog 中，auto_bin_max 是一个非常有用的选项，用于限制自动创建的 bins 数目。默认情况下，auto_bin_max 的值为 64，但可以通过显式设置来调整其值。

auto_bin_max 的用法

auto_bin_max 用于控制自动创建的 bins 的最大数目。当覆盖点（coverpoint）的值域超过指定的 auto_bin_max 时，SystemVerilog 会将值域平均分配到 auto_bin_max 个 bins 中。

为单个 coverpoint 设置 auto_bin_max

covergroup CovPort;
  coverpoint tr.port {
    option.auto_bin_max = 2; // 为 tr.port 设置最大 2 个自动 bin
  }
endgroup

在这个例子中，tr.port 的值域会被自动分成 2 个 bins。

为整个 covergroup 设置 auto_bin_max

covergroup CovPort;
  option.auto_bin_max = 2; // 影响该 covergroup 中的所有 coverpoint
  coverpoint tr.port;
  coverpoint tr.data;
endgroup

在这个例子中，auto_bin_max 的设置会应用于 CovPort 中的所有 coverpoint，每个 coverpoint 的值域都会被自动分成 2 个 bins。

注意事项

1. 默认值：auto_bin_max 的默认值是 64。

2. 适用范围：auto_bin_max 可以应用于单个 coverpoint 或整个 covergroup。

3. 值域分配：如果值域不能均匀分配到指定的 auto_bin_max 数目中，最后一个 bin 会包含剩余的值。

4. 手动定义 bins：如果手动定义了 bins，则 auto_bin_max 不会生效。

通过合理设置 auto_bin_max，可以有效控制自动创建的 bins 数目，从而简化覆盖率报告并提高分析效率。

2.2.2动态和静态建仓

bins len[] 是一种动态建仓的方式，表示为 len 创建一个动态的 bins，其具体值在运行时确定。这种方式通常用于覆盖点的值域较大或不确定时，工具会根据实际采样的值动态创建 bins。

coverpoint len {
  bins len[] = { [0:$] }; // 动态创建 bins，覆盖 len 的所有可能值
}

• [0:$] 表示从 0 到最大值的范围。

• len[] 是动态的，工具会根据实际采样的值动态创建 bins。

bins len 是一种静态建仓的方式，表示为 len 创建一个固定的 bins，其值在编译时确定。这种方式通常用于覆盖点的值域较小或已知时。

coverpoint len {
  bins len = {0, 1, 2, 3, 4}; // 静态创建 bins，覆盖 len 的特定值
}

• len 是一个固定的 bins，只包含指定的值（0, 1, 2, 3, 4）。

• 覆盖率报告

  • bins len[] 生成的覆盖率报告中，bins 的数目会较多，因为工具会根据实际采样的值动态创建并命令仓。

  • bins len 生成的覆盖率报告中，bins 的数目是固定的，因为工具在编译时就已经确定了。

用一个仓表示剩余的所有值

可以使用 default 关键字。default 用于捕获所有未明确列出的值。

coverpoint len {
  bins specific = {0, 1, 2, 3, 4}; // 明确列出的值
  bins others = default;           // 捕获所有未明确列出的值
}

2.2.3交叉建仓

交叉覆盖点（cross）用于定义多个信号或表达式的组合覆盖率点。交叉覆盖点的 bins 定义方式与单个 coverpoint 类似，但需要考虑多个信号的组合。同时，可以通过 ignore_bins 和 illegal_bins 来忽略或标记某些组合。

监控组合覆盖率：

covergroup my_coverage @(posedge clk);
  coverpoint signal1 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  coverpoint signal2 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  cross signal1, signal2 {
    bins both_low = (signal1.low && signal2.low);
    bins both_high = (signal1.high && signal2.high);
    bins mixed = (signal1.low && signal2.high) || (signal1.high && signal2.low);
  }
endgroup

忽略一部分交叉仓

使用 ignore_bins

ignore_bins 用于忽略某些特定的组合，这些组合不会被计入覆盖率统计。

covergroup my_coverage @(posedge clk);
  coverpoint signal1 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  coverpoint signal2 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  cross signal1, signal2 {
    bins both_high = (signal1.high && signal2.high);
    bins mixed = (signal1.low && signal2.high) || (signal1.high && signal2.low);
    ignore_bins both_low = (signal1.low && signal2.low);
  }
endgroup

2.2.4覆盖点的权重设置

覆盖点（coverpoint）和交叉覆盖点（cross）的权重可以通过 option.weight 属性来设置。权重用于调整不同覆盖点或交叉覆盖点在总覆盖率计算中的重要性。通过设置权重，可以更灵活地控制覆盖率的计算方式，确保重点覆盖重要的功能场景。

权重的用途

权重用于调整覆盖率计算中各个覆盖点或交叉覆盖点的贡献。权重越高，该覆盖点或交叉覆盖点在总覆盖率中的贡献越大。最终得到不同的总体覆盖率。

设置覆盖点的权重

可以通过 option.weight 属性为每个覆盖点或交叉覆盖点设置权重。

covergroup my_coverage @(posedge clk);
  coverpoint signal1 {
    option.weight = 2; // 设置权重为 2
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  coverpoint signal2 {
    option.weight = 1; // 设置权重为 1
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
endgroup

covergroup my_coverage @(posedge clk);
  coverpoint signal1 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  coverpoint signal2 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  cross signal1, signal2 {
    option.weight = 3; // 设置交叉覆盖点的权重为 3
    bins both_low = (signal1.low && signal2.low);
    bins both_high = (signal1.high && signal2.high);
    bins mixed = (signal1.low && signal2.high) || (signal1.high && signal2.low);
  }
endgroup

权重的默认值

如果未显式设置权重，option.weight 的默认值为 1。

权重对覆盖率计算的影响

权重会影响覆盖率的计算结果。覆盖率计算公式通常为：

总覆盖率=∑覆盖点权重∑(覆盖点权重×覆盖点覆盖率)

总覆盖率覆盖点权重覆盖点覆盖率覆盖点权重

2.2.5合理地创建仓

当需求不明确时，在一大堆自动创建的仓里很难寻找到覆盖不到的点。

（1）明确需求

在建仓之前，需要明确设计的功能需求和验证目标。覆盖率点应与设计的功能需求直接相关，确保覆盖所有重要的功能场景。

（2）合理划分 bins

• 单值 bins：

  • 定义特定的取值。例如：

    coverpoint signal {
      bins low = {0};
      bins high = {1};
    }

• 范围 bins：

  • 定义一个取值范围。例如：

    coverpoint baud_rate {
      bins standard = {9600, 19200, 38400, 57600, 115200};
      bins range = [1200:9600];
    }

• 通配符 bins：

  • 使用通配符定义部分匹配的值。例如：

    coverpoint address {
      wildcard bins addr = {8'b0000_????, 8'b1111_????};
    }

• 默认 bins：

  • 捕获未明确列出的其他值。例如：

    coverpoint baud_rate {
      bins standard = {9600, 19200, 38400, 57600, 115200};
      bins others = default;
    }

（3）使用 ignore_bins 和 illegal_bins

• ignore_bins：

  • 定义忽略的取值范围，这些值不会被计入覆盖率统计。例如：

    coverpoint baud_rate {
      bins standard = {9600, 19200, 38400, 57600, 115200};
      ignore_bins invalid = {0, 1};
    }

• illegal_bins：

  • 定义非法的取值范围，这些值表示设计不应出现的情况。如果出现这些值，可能表示设计或测试用例有问题。例如：

    coverpoint baud_rate {
      bins standard = {9600, 19200, 38400, 57600, 115200};
      illegal_bins invalid = {0, 1};
    }

2.3覆盖组定义的位置

基本上可以定义在任意位置，包括program、module、interface、class、package当中。

一般会写在组件中（class）中。

定义位置对代码的可读性、可维护性和功能实现有重要影响。选择合适的定义位置可以提高代码的结构清晰度和验证效率。

（1）在模块（Module）内部定义

如果覆盖组仅与特定模块相关，可以在模块内部定义。这种方式的优点是覆盖组的作用域被限制在模块内部，不会与其他模块的覆盖组冲突。

适用场景

• 模块内部信号：当覆盖组仅与模块内部的信号相关时，适合在模块内部定义。

• 局部验证：当验证目标仅限于模块内部时，这种方式可以避免全局污染。

（2）在模块外部定义

如果覆盖组需要在多个模块或测试环境中复用，可以在模块外部定义。这种方式的优点是可以提高代码的复用性，避免重复定义。

适用场景

• 复用性：当覆盖组需要在多个模块或测试环境中复用时，适合在模块外部定义。

• 全局验证：当验证目标涉及多个模块时，这种方式可以方便地在不同模块中实例化相同的覆盖组。

（3）在类（Class）中定义

如果覆盖组与特定的类相关，可以在类中定义。这种方式的优点是可以将覆盖组与类的其他逻辑紧密集成，提高代码的封装性。

适用场景

• 类封装：当覆盖组与类的其他逻辑紧密相关时，适合在类中定义。

• 面向对象验证：当验证目标涉及类的实例时，这种方式可以方便地在类实例中使用覆盖组。

（4）在测试环境中定义

如果覆盖组主要用于测试环境，可以在测试环境中定义。这种方式的优点是可以集中管理覆盖组，便于在测试环境中动态调整覆盖组的配置。

适用场景

• 测试环境：当覆盖组主要用于测试环境时，适合在测试环境中定义。

• 动态调整：当需要在测试环境中动态调整覆盖组的配置时，这种方式可以方便地进行调整。

（5）在包（Package）中定义

如果覆盖组需要在多个文件或模块中复用，可以在包中定义。这种方式的优点是可以提高代码的复用性和可维护性。

适用场景

• 复用性：当覆盖组需要在多个文件或模块中复用时，适合在包中定义。

• 项目结构：当项目结构较大，需要集中管理覆盖组时，这种方式可以提高代码的可维护性。

基于uvm结构考虑：

（1）driver中定义

某些模块的driver在系统级集成复用时会被passive掉，这时就无法查看功能点的覆盖情况。

（2）monitor中定义

系统级集成后可以重用

（3）refm中定义

参考模型中既有dut接口信号上的数据，也有寄存器的配置值，还有环境中需要用到的配置参数，也有队数据处理之后的结果

存在的问题是所有代码写在一个文件中将会非常大。

提供以下几种思路来解决这个问题：

1）结构化设计。把参考模型分解成多个，写成多个小的参考模型，在每个参考模型中编写该部分的功能覆盖率。

2）把覆盖组单独写在一个文件中，然后include进来

3）采用uvm提供的callback机制，把功能覆盖率部分的代码单独写在callback文件中。但是实现起来比较复杂，不能使用参考模型当中得到的中间值

4）采用port，将要采样的数据发送到单独一个文件中

（4）testcase中定义

不推荐。只能反复不断运行该用例，直到覆盖率得到100%，不通用不可复用。

综上，推荐把覆盖组写在参考模型中，使用第二种思路。

三、覆盖组的触发

覆盖组（covergroup）的触发是指在仿真过程中何时对覆盖组中的覆盖点（coverpoint）和交叉覆盖点（cross）进行采样。触发机制对于确保覆盖率数据的准确性和完整性至关重要。

3.1使用时钟边沿触发

最常见的方式是通过时钟信号的边沿（如上升沿或下降沿）触发覆盖组的采样。这可以通过在 covergroup 定义中指定采样事件来实现。

在 covergroup 定义中，可以通过 @(posedge clk) 或 @(negedge clk) 指定采样事件。

covergroup my_coverage @(posedge clk);
  coverpoint signal1 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  coverpoint signal2 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
endgroup

my_coverage 的采样事件是时钟信号 clk 的上升沿。

3.2使用事件触发

覆盖组也可以通过特定的事件触发采样，例如某个信号的变化或某个条件的满足。

可以通过 $rose、$fell、$stable 等事件控制语句来触发覆盖组的采样。

covergroup my_coverage @(posedge clk);
  coverpoint signal1 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  coverpoint signal2 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  option.per_instance = 1; // 每个实例独立采样
endgroup
​
module my_module;
  logic clk;
  logic signal1;
  logic signal2;
​
  initial begin
    my_coverage cov = new();
    forever @(posedge clk) begin
      if ($rose(signal1)) cov.sample(); // 当 signal1 上升沿时采样
    end
  end
endmodule

覆盖组的采样被限制在 signal1 的上升沿。

3.3显式触发

在某些情况下，可以通过显式调用 sample 方法来触发覆盖组的采样。

可以通过显式调用 sample 方法来触发覆盖组的采样。这种方式提供了最大的灵活性，允许在任何需要的时刻进行采样。

covergroup my_coverage;
  coverpoint signal1 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
  coverpoint signal2 {
    bins low = {0};
    bins high = {1};
  }
endgroup
​
module my_module;
  logic clk;
  logic signal1;
  logic signal2;
  my_coverage cov;
​
  initial begin
    cov = new();
    forever @(posedge clk) begin
      if (some_condition) cov.sample(); // 根据条件显式采样
    end
  end
endmodule

覆盖组的采样由 some_condition 控制。

3.4使用自定义 sample函数触发

自定义方式允许调用 sample 函数时显式地传递参数，而不是依赖于覆盖组内部的信号，并对这些参数进行覆盖率采样。

以在代码中的任何位置显式地调用 sample 方法，并传递需要采样的值。这种方式特别适用于以下场景：

1. 动态采样：在运行时动态生成或计算的值需要采样。

2. 条件采样：只有在满足特定条件时才需要采样。

3. 跨模块采样：在不同的模块或类中生成的值需要采样。

​
covergroup cov with function sample(bit[3:0] da);
    coverpoint da {
        bins low = {0};
        bins mid = {1, 2, 3};
        bins high = {4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15};
    }
endgroup : cov
​
module my_module;
    logic [3:0] signal;
    cov my_cov;
​
    initial begin
        my_cov = new();  // 创建覆盖组实例
    end
​
    always @(posedge clk) begin
        if (some_condition) begin
            my_cov.sample(signal);  // 显式调用 sample 方法
        end
    end
endmodule

通过定义带有自定义 sample 函数的 covergroup，可以在代码中的任何位置显式地调用采样方法，并传递需要采样的值。这种方式特别适用于动态采样、条件采样和跨模块采样等场景。

3.5使用回调函数触发

在 SystemVerilog 和验证环境中，回调函数（Callback Function） 是一种允许用户在特定事件发生时执行自定义代码的机制。回调函数通常用于在验证过程中插入用户定义的行为，例如在事务发送、接收或完成时进行数据采样、覆盖率收集或调试信息输出。

回调函数的基本概念

回调函数是一种设计模式，允许用户在某个事件发生时提供一个函数（或方法），该函数会在事件触发时被调用。在验证环境中，回调函数通常用于以下场景：

1. 事务处理：在事务发送、接收或完成时执行特定操作。

2. 覆盖率收集：在特定事件发生时收集覆盖率数据。

3. 调试信息输出：在关键事件发生时输出调试信息。

回调函数的实现方式

在 SystemVerilog 中，回调函数通常通过以下步骤实现：

1. 定义回调类：创建一个继承自基础回调类的扩展类，并在其中定义回调方法。

2. 注册回调实例：将回调类的实例注册到验证组件（如 Driver、Monitor 等）中。

3. 触发回调：当特定事件发生时，验证组件会调用注册的回调方法。

1. 定义回调类

定义一个回调类，继承自基础回调类，并在其中定义覆盖组和回调方法。

class Driver_cbs_coverage extends Driver_cbs;
  covergroup CovPort;
    coverpoint tr.port {
      bins low = {0};
      bins high = {1};
    }
    coverpoint tr.data {
      bins low = {0};
      bins high = {1};
    }
  endgroup
​
  function new();
    CovPort = new();
  endfunction
​
  virtual task post_tx(Transaction tr);
    CovPort.sample();  // 在回调函数中触发采样
  endtask
endclass

2. 注册回调实例

在测试环境中，创建回调类的实例，并将其注册到验证组件中。

program automatic test;
  Environment env;
​
  initial begin
    Driver_cbs_coverage dcc;  // 创建回调类的实例
    env = new();
    env.gen_cfg();
    env.build();
    dcc = new();  // 初始化回调类
    env.drv.cbs.push_back(dcc);  // 将回调实例注册到驱动器的回调队列中
    env.run();
    env.wrap_up();
  end
endprogram

3. 触发回调

当特定事件（如事务传输完成）发生时，验证组件会调用注册的回调方法（如 post_tx），从而触发覆盖组的采样。

回调函数的作用

1. 灵活性：允许用户在特定事件发生时执行自定义代码，而不依赖于固定的时钟边沿或其他事件。

2. 精确性：可以在事务完成或其他关键事件发生时精确地触发采样，确保覆盖率数据的准确性。

3. 可扩展性：可以为不同的组件或事务类型定义多个回调类，从而实现细粒度的覆盖率监控。

回调函数的常见应用场景

1. 事务发送和接收：

   • 在事务发送或接收时进行数据采样或覆盖率收集。

   • 示例：pre_tx（事务发送前）、post_tx（事务发送后）、pre_rx（事务接收前）、post_rx（事务接收后）。

2. 覆盖率收集：

   • 在特定事件发生时触发覆盖组的采样。

   • 在事务完成时收集覆盖率数据。

3. 调试信息输出：

   • 在关键事件发生时输出调试信息。

   • 在事务发送或接收时打印事务内容。

回调函数的实现细节

• 回调类的定义：

  • 回调类通常继承自验证环境中定义的基础回调类（如 Driver_cbs、Monitor_cbs 等）。

  • 在回调类中定义覆盖组和回调方法（如 post_tx、pre_rx 等）。

• 回调方法的实现：

  • 回调方法通常是一个任务（task）或函数（function），在特定事件发生时被调用。

  • 在回调方法中可以执行任何用户定义的操作，如数据采样、覆盖率收集或调试信息输出。

• 回调实例的注册：

  • 将回调类的实例注册到验证组件中，通常通过调用组件的 push_back 方法或类似的注册接口。

  • env.drv.cbs.push_back(dcc);

3.6使用断言进行触发

和用事件触发类似，只是用断言来触发事件，进而触发覆盖组采样

module top;
.....
​
cover property
((@vif.mck) rd_en==1)
->cover_event;
​
covergroup cov @cover_event;
   coverpoint data;
endgroup:cov
​
endmodule
​

四、查看功能覆盖率报告

4.1报告生成

4.1.1编译仿真参数

功能覆盖率不需要增加额外的编译仿真参数。

在编译和仿真时，代码覆盖率需要增加额外参数，确保启用了覆盖率收集选项：

# 编译命令
vcs -cm line+cond+fsm+tgl+branch+assert -cm_dir ./cov_dbs/covdb -cm_name my_test my_design.sv
​
# 仿真命令
simv -cm line+cond+fsm+tgl+branch+assert -cm_dir ./cov_dbs/covdb -cm_name my_test -l sim.log

这些选项用于启用代码覆盖率的收集。

4.1.2覆盖率合并

urg是vcs的覆盖率合并功能，用于合并和生成覆盖率报告。

基本合并命令

urg -dir <path_to_vdb1> -dir <path_to_vdb2> ... -dir <path_to_vdbN> -dbname <output_vdb>
urg -dir ./*.vdb -dbname merged.vdb

• -dir：指定要合并的覆盖率数据库（.vdb）文件路径。

• -dbname：指定合并后的输出数据库文件名。

4.1.3生成报告

在合并覆盖率数据后，urg还可以生成详细的覆盖率报告（网页）：

urg -dir <merged_vdb> -report <output_report_directory>
urg -dir ./cov_dbs/covdb -dbname my_test -report coverage_report

• -report：指定生成报告的输出目录。

4.2报告查看

4.2.1使用SystemVerilog内置的覆盖率报告

在SystemVerilog中提供了大量的用于获得coverage的方法，方便了用户进行功能覆盖率的收集查看，比较常见的主要有：$get_coverage、get_coverage和get_inst_coverage，在SystemVerilog中关于这三个方法的描述如下：

$get_coverage：用来获取当前测试平台总体覆盖率，其值由所有的covergroup类型的覆盖率决定；

get_coverage：用来获取当前实例所对应的covergroup的覆盖率；

get_inst_coverage：用来获取当前covergroup实例的覆盖率；

4.2.2. 使用VCS的覆盖率报告

VCS提供了强大的覆盖率分析工具，可以通过命令行选项和图形化界面查看覆盖率数据。

生成的覆盖率报告可以通过以下工具查看：

• 使用 DVE 查看：

  dve -full64 -covdir cov_path/simv.vdb

• 使用 Verdi 查看：

  verdi -cov -covdir cov_path/simv.vdb

• 使用浏览器查看 HTML 报告：

  firefox cov_report/dashboard.html

这些工具会以图形化的方式显示覆盖率情况，方便分析。