1、 SystemVerilog 旗语Semaphore

1.1 什么是旗语？为什么需要旗语？

        使用旗语可以实现对同一资源的访问控制。想象一下你和你爱人共享一辆汽车的情形。显然，每次只能有一个人可以开车。为应对这种情况，你们可以约定谁持有钥匙谁开车。当然你用完车以后，你会让出车子以便对方使用。车钥匙就是旗语，它确保了只有一个人可以使用汽车。在操作系统的术语里，这就是大家所熟知的“互斥访问”，所以旗语可被视为一个互斥体，用于实现对同一资源的访问控制。

        当测试平台中存在一个资源，如一条总线，对应多个请求方，而实际物理设计中又只允许单一驱动时，便可以使用旗语。在SystemVerilog中，一个线程如果请求“钥匙”而得不到，则会一直阻塞，多个阻塞的线程会以先进先出（FIFO）的方式进行排队。

1.2 语法

semaphore [identifier_name];

        旗语是一种对象，必须使用new()函数来进行实例化。使用new方法可以创建一个带单个或多个钥匙的旗语：

semaphore sem;      //创建一个旗语
initial begin
    sem = new(1);   //分配一个钥匙
    ...
end

1.3 旗语的方法

        semaphore是一个内建的类，它提供了下列方法：
 

方法	描述
function new (int KeyCount=0);	KeyCount指定了最初被分配到semaphore桶中的键值的数目。当进入桶中的键值比移出桶中的键值的数目多的时候，桶中键值的数目可以超过KeyCount。KeyCount的缺省值为0。 new()函数返回semaphore的句柄，如果没有产生semaphore则返回null。
function void put (int KeyCount=1);	keyCount指定了返回到semaphore中的键值的数目，它的缺省值为1。 当调用semaphore.put()任务的时候，指定数目的键值被返回到semaphore中。如果一个进程已经被挂起来等待一个键值的话，当返回了足够的键值后这个进程应该继续执行。
task get (int KeyCount=1);	keyCount指定了需要从semaphore中获得的键值的数目，它的缺省值为1。 如果指定的键值数目有效，那么方法返回并且进程会继续执行；如果指定的键值数目无效，进程会阻塞直到键值变成有效。 semaphore等待队列是先进先出（FIFO）。这种方式不能保证进程到达队列的顺序，semaphore仅仅能够保持进程到达的顺序。
function int try_get (int KeyCount=1);	keyCount指定了需要从semaphore中获得的键值的数目，它的缺省值为1。 如果指定的键值数目有效，那么try_get()方法返回1并且进程会继续执行；如果指定的键值数目无效，那么try_get()方法返回0。

1.4 带多个钥匙的旗语

        使用旗语时有两个地方需要小心：

        你返回的钥匙可以比你取出来的多。你可能突然之间有两把钥匙而实际上只有一辆汽车。
当你的测试程序需要获取和返回多个钥匙时，务必谨慎。假设你剩下一把钥匙，有一个线程请求两把而被阻塞，这时第二个线程出现，它只请求一把，那么在SystemVerilog中，第二个请求get(1)会悄悄地排到第一个请求get(2)的前面，先进先出的规则在这里会被忽略掉。

2 SystemVerilog 信箱Mailbox

2.1 什么是信箱？

        信箱是一种允许不同的线程之间互相交换数据的方式。它类似于一个真实的邮箱，信件可以被放入其中，之后也可以被取出。

2.2 为什么需要信箱？

        如何在两个线程之间传递信息呢？考虑发生器需要创建很多食物并传递给驱动器的情况。你可能会认为仅仅使用发生器线程去调用驱动器中的任务便可以了。但如果这样做，发生器需要知道到达驱动器任务的层次化路径，这会降低代码的可重用性。此外，这种代码风格还会迫使发生器与驱动器以同一速率运行，在一个发生器需要控制多个驱动器的情况下会引发同步问题。

        把发生器和驱动器想象成具备自治能力的事务处理器对象，它们通过信道交换数据。每个对象从它的上游对象中得到事务（如果对象本身是发生器，则创建事务），进行一些处理，然后把它们传递给下游对象。这里的信道必须允许驱动器和接收器异步操作。你可能倾向于仅仅使用一个共享的数组或队列，但这样一来编写实现线程间读写和阻塞的代码却会很困难。

        解决方法是使用SystemVerilog中的信箱。

2.3 信箱的理解

        从硬件角度出发，对信箱最简单的理解是把它看作一个具有源端和收端的FIFO。源端把数据放进信箱，收端则从信箱中获取数据。信箱可以有容量上限，也可以没有。当源端线程试图向一个容量固定并且已经饱和的信箱里放入数值时，会发生阻塞直到信箱里的数据被移走。同样地，如果收端线程试图从一个空信箱里一走数据，它也会被阻塞直到有数据放入信箱里。

信箱是一种对象，必须调用new()函数来进行实例化。

2.4 SystemVerilog信箱的方法与函数

函数	描述
function new (int bound=0);	返回一个信箱句柄，bound>0表明信箱的容量。如果bound是0或者没有指定，则表明信箱是无限大的，可以容纳任意多的条目。
function int num ();	返回目前信箱中的条目数。
task put (singular meassage);	阻塞方法，将数据以FIFO的顺序存入到信箱，这里的数据指的单个的值（例：可以是整数或任意宽度的logic。可以放句柄但不能放对象。）。
function int try_put (singular meassage);	非阻塞方法，如果信箱没满则存储数据，如果成功则返回一个正整数，否则返回0。
task get (ref singular meaasge);	阻塞方法，从信箱中取回一个数据，如果信箱为空，则阻塞。
function int try_get (ref singular message);	非阻塞方法，从信箱中取回一个数据，信箱为空则返回0。
task peek (ref singular message);	阻塞方法，从一个mailbox中拷贝一个消息但不会将其从队列中删除。如果mailbox是空的，那么当前的进程会阻塞直到一个消息被放置到mailbox中。如果在消息变量和mailbox中的消息间存在类型不匹配，那么会产生一个运行时错误。
function int try_peek (ref singular message);	非阻塞方法，尝试从信箱中拷贝一个数据，而不将它从信箱队列中取出，如果信箱为空，则返回0。

2.5 两种信箱 Generic Mailbox vs Parameterized Mailbox

        Generic Mailbox可以接受所有数据类型
        缺省情况下，信箱没有类型（Generic Mailbox），所以允许在其中放入任何混合类型的数据。但不要这样做！务必在一个信箱中只放一种类型的数据。

mailbox mbx;

• Parameterized Mailbox只能接受一种特定的数据类型

        尽管无数据类型约束的信箱具有很好的收发数据特性，它可能导致仿真过程中的数据类型失配并造成结果错误。Parameterized Mailbox约束了信箱接受和发送特定类型的数据。

mailbox #(string) mbx1;   // fixed-type string
mailbox #(byte)   mbx2;   // fixed-type byte