System Verilog中fork...join、join_none和join_none的用法和解析

本文深入探讨了Verilog和SystemVerilog中的并发控制机制,包括fork...join, fork...join_none和fork...join_any的不同行为及应用。通过实例分析,展示了不同并发控制结构如何影响程序执行流程。

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标准的Verilog对语句有两种分组方式——使用begin…end或fork…join,begin…end中的语句以顺序方式执行,而fork…join中的语句则以并发方式执行。后者的不足是必须等fork…join内的所有语句都执行完以后才能继续块内后续的处理。因此,在Verilog的测试平台中很少用到它。
System Verilog引入了两种新的创建线程的方法——使用fork…join_none和fork…join_any语句

1.join:The parent process blocks until all the processes spawned by this fork complete.
简单来说:fork…join内的所有语句都是并发执行(对于begin…end内部是顺序执行)
2.join_any:The parent process blocks until any one of the processes spawned by this fork completes.
简单来说:一旦fork…join_any内任何一个线程完成,父线程就会继续运行
3.join_none:The parent process continues to execute concurrently with all the processes spawned by the fork. The spawned processes do not start executing until the parent thread executes a blocking statement or terminates.
简单来说:子线程和父线程会同时执行

下面看一下代码简单分析:

fork…join

//---------fork...join-------------
initial begin
	$display("@ %0t: start fork...join example", $time);
    #10 $display("@ %0t: sequential after # 10", $time);
	fork
		$display("@ %0t: parallel start", $time);
		#50 $display("@ %0t: parallel start # 50", $time);
		#10 $display("@ %0t: parallel after #10", $time);
		begin
			#30 $display("@ %0t: sequential after # 30", $time);
			#10 $display("@ %0t: sequential after # 10", $time);
		end	
	join
	$display("@ %0t: after join", $time);
	#80 $display("@ %0t: finish after # 80", $time);
end

程序运行结果:

@ 0: start fork...join example
@ 10: sequential after # 10
@ 10: parallel start
@ 20: parallel after #10
@ 40: sequential after # 30
@ 50: sequential after # 10
@ 60: parallel start # 50
@ 60: after join
@ 140: finish after # 80

fork…join_none

fork…join_none块在调度其块语句时,父线程继续执行。下面的代码与上面代码除了join被换成了join_none以外,其余均相同。

//---------fork...join_none-------------
initial begin
	$display("@ %0t: start fork...join_none example", $time);
    #10 $display("@ %0t: sequential after # 10", $time);
	fork
		$display("@ %0t: parallel start", $time);
		#50 $display("@ %0t: parallel start # 50", $time);
		#10 $display("@ %0t: parallel after #10", $time);
		begin
			#30 $display("@ %0t: sequential after # 30", $time);
			#10 $display("@ %0t: sequential after # 10", $time);
		end	
	join_none
	$display("@ %0t: after join_none", $time);
	#80 $display("@ %0t: finish after # 80", $time);
end

程序运行结果:

@ 0: start fork...join_none example
@ 10: sequential after # 10
@ 10: after join_none
@ 10: parallel start
@ 20: parallel after #10
@ 40: sequential after # 30
@ 50: sequential after # 10
@ 60: parallel start # 50
@ 90: finish after # 80

fork…join_any

fork…join_any块对块内语句进行调度,当第一个语句完成后,父线程才继续执行,其他停顿的线程也得以继续。代码如下:

//---------fork...join_any-------------
initial begin
	$display("@ %0t: start fork...join_any example", $time);
    #10 $display("@ %0t: sequential after # 10", $time);
	fork
		$display("@ %0t: parallel start", $time);
		#50 $display("@ %0t: parallel start # 50", $time);
		#10 $display("@ %0t: parallel after #10", $time);
		begin
			#30 $display("@ %0t: sequential after # 30", $time);
			#10 $display("@ %0t: sequential after # 10", $time);
		end	
	join_any
	$display("@ %0t: after join_any", $time);
	#80 $display("@ %0t: finish after # 80", $time);
end

运行结果如下:

@ 0: start fork...join_any example
@ 10: sequential after # 10
@ 10: parallel start
@ 10: after join_any
@ 20: parallel after #10
@ 40: sequential after # 30
@ 50: sequential after # 10
@ 60: parallel start # 50
@ 90: finish after # 80
<think>好的,我现在需要帮助用户理解System Verilog中的fork-join_nonefork-join_any的区别及用法。首先,我得回忆一下相关的知识点,确保自己正确掌握这些概念。根据用户提供的引用内容,特别是引用[2][3],我需要整理出两者的基本定义、执行方式以及使用场景。 首先,fork-joinjoin_nonejoin_any都是System Verilog中用来创建并行线程的结构。标准的fork-join会阻塞父线程,直到所有内部线程执行完毕。而join_nonejoin_anySystem Verilog的扩展,提供了不同的控制方式。 接下来,我需要明确两者的区别。根据引用[2],fork-join_none在启动所有子线程后立即继续执行父线程,而fork-join_any则是等待至少一个子线程完成后再继续父线程。这应该是核心区别。同时,我需要考虑它们的应用场景,比如join_none适用于启动后台任务,而join_any适用于等待任意一个任务完成的情况。 然后,我需要检查用户提供的例子,比如例3中的代码,看看是否有具体的执行顺序问题。例如,在fork块内部又有一个fork-join_none,这时候父线程(外层的fork)的行为如何?根据代码中的输出,可能需要分析打印语句的顺序,以说明join_none的效果。 另外,用户的问题还涉及到多次调用任务时使用disable标签的影响,这在引用[3]中提到过。不过用户当前的问题主要集中在join_nonejoin_any的区别,可能需要暂时忽略disable的问题,除非它直接相关。 接下来,我需要确保回答的结构清晰,分点说明两者的区别、执行流程、代码示例以及应用场景。同时,要使用用户要求的行内数学公式格式独立公式格式,但在这个问题中可能不太涉及数学公式,所以可能需要调整,或者确认是否有相关的内容需要应用。 另外,用户要求生成相关问题,我需要根据内容提出几个相关的问题,例如性能影响、实际应用案例或者与其他并行结构的比较等。 最后,需要确保引用正确,每个引用标识符对应到用户提供的参考资料。例如,引用[2]主要讨论fork...join的不同类型,而引用[3]涉及多次调用任务时的标签禁用问题,可能需要适当引用。 总结思考步骤: 1. 确定fork-join_nonefork-join_any的基本定义执行流程。 2. 对比两者的区别,特别是父线程的阻塞行为。 3. 分析用户提供的例子,说明执行顺序。 4. 提供代码示例,展示两者的不同行为。 5. 讨论应用场景,帮助用户理解何时使用哪种结构。 6. 生成相关问题,促进进一步学习。 7. 确保引用正确,符合用户提供的引用内容。</think>### System Verilogfork join_nonefork join_any的对比 #### 1. 核心区别 - **fork-join_none** 启动所有子线程后,父线程**立即继续执行**后续代码,不等待任何子线程完成[^2]。 **适用场景**:需要并行启动后台任务且无需等待结果时,例如日志记录或异步事件触发。 - **fork-join_any** 父线程会**阻塞**,直到**任意一个子线程完成**后才会继续执行后续代码[^2]。 **适用场景**:需要快速响应首个完成的任务,例如超时控制或资源竞争。 #### 2. 执行流程对比 | 类型 | 父线程行为 | 子线程完成要求 | |--------------|-------------------------------|----------------------| | fork-join | 等待所有子线程完成 | 全部完成 | | fork-join_none| 不等待,直接继续执行 | 无要求(异步执行) | | fork-join_any | 等待任意一个子线程完成后继续 | 至少一个完成 | #### 3. 用户示例解析 用户提供的例3中,外层为`fork...join`,内层嵌套了`fork...join_none`: ```systemverilog initial fork // 外层fork-join中的语句并行执行 $display("Out of fork join_none1"); $display("Out of fork join_none2"); fork // 内层fork-join_none $display("In fork join_none1"); $display("In fork join_none2"); join_none // 父线程(外层fork)立即继续 $display("Out of fork join_none3"); #1 $display("Out of fork join_none4"); join ``` **输出顺序**: 1. 外层fork的所有语句并行执行,包括内层fork-join_none 2. 内层fork-join_none启动后,父线程(外层fork)继续执行`$display("Out of fork join_none3")` 3. 最终输出可能为: ``` Out of fork join_none1 Out of fork join_none2 Out of fork join_none3 In fork join_none1 In fork join_none2 Out of fork join_none4 // 延迟1ns后输出 ``` #### 4. 代码示例对比 - **join_none行为演示** ```systemverilog initial begin fork #5 $display("Task A"); #3 $display("Task B"); join_none $display("Parent continues immediately"); end ``` **输出**: ``` Parent continues immediately Task B // 3ns后 Task A // 5ns后 ``` - **join_any行为演示** ```systemverilog initial begin fork #5 $display("Task A"); #3 $display("Task B"); join_any $display("Parent continues after first task"); end ``` **输出**: ``` Task B // 3ns后 Parent continues after first task Task A // 5ns后 ``` #### 5. 关键注意事项 - **线程生命周期**:join_none启动的子线程可能**晚于父线程结束**,需注意仿真结束条件[^3]。 - **资源竞争**:并行线程访问共享变量时需使用同步机制(如`semaphore`)。
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