【FPGA篇章七】FPGA系统任务:详述常用的一些系统函数以及使用方法

强颜欢笑 提交于 2020-08-09 16:28:47

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系统任务和系统函数是Verilog标准的一部分,都以字符"$"为开头。系统任务可划分为六类,下面分别给出一些常用任务的用法。

 

1 显示任务

  1.1 display和write任务

  向终端或文件写入值时,系统会自动决定表达式参数值的位置大小。

  比如一个16bit大小的数,用十六进制需要4个字符宽度(最大FFFF),用十进制需要5个字符宽度(最大65535)。

  如果在%和radix间加一个0,可以取消这种自动决定的机制,看下面的示例:

1 reg [15:0] data = 200;
2 initial $display("data: %d.", data);    // data:   200.  数据占5个字符
3 initial $display("data: %0d.", data);   // data: 200.   数据占3个字符

  1.2 strobe监控

  $strobe使用的参数(包括所有转义字符、格式控制)和$display完全相同。  

  这组系统任务$strobe、$strobeb、$strobeo、$strobeh可以在选择的时间点处显示仿真数据。

  当前仿真时刻的其它所有语句、事件执行完后,$strobe系统任务才会执行,以确保显示的是正确的数据。示例如下:

1 reg [15:0] cnt = 0;
2 always @ (posedge clk) cnt = $random;
3 
4 initial begin
5     forever @(posedge clk) 
6         $strobe("At time %d, data is %d", $time, cnt);
7 end

  终端打印的信息如下:

1 At time                   10, data is 13604
2 At time                   30, data is 24193
3 At time                   50, data is 54793
4 At time                   70, data is 22115
5 ......

  1.3 连续监控

  $monitor使用的参数(包括所有转义字符、格式控制)和$display完全相同。

  当$monitor任务的参数列表中有一个或多个参数的值发生变化时(不包括time、time、time、stime和$realtime),打印信息。这个连续地监控参数值的特性,称作连续监控。

  $monitoron 和 $monitoroff用于启用或禁用监控过程,相当于打开或关闭监控标志。打开监控标志时,无论参数值是否发生变化,会立即打印一次信息关闭监控标志后,监控任务处于待机状态,不会执行。默认情况下, 仿真开始的时候会自动打开监控标志。


2 文件I/O任务和函数

  Verilog文件操作涉及到的函数也放在这里。

  2.1 打开文件和关闭文件

  打开文件任务 $fopen 和关闭文件任务 $fclose 的使用方法如下:

1     mcd = $fopen("file_name");
2     fd = $fopen("file_name", type);
3     fclose(mcd);
4     fclose(fd);

  $fopen的输入参数都是字符串。如果没有指定type参数,返回值称作多通道描述符(MCD);如果设置了type参数,设定打开文件的方式,返回值称作文件描述符(FD)

  MCD和FD都是32bit的数,二者的区别大致如下:

  MCD:32bit,最高位保留不用,剩下的每bit代表一个打开的文件(置1),因此同时最多只能打开31个文件。LSB被“标准输出”文件占用。

    这种方法的优势是可以将多个MCD用按位或的方式组合在一起,从而同时向多个文件写入内容。这种打开方式相当于是FD的"w"方式,不支持读取文件内容。

  FD:32bit,最高位保留不用,恒定为1。三个默认打开的文件会占用三个文件描述符:STDIN、STDOUT、STDERR。

    这种方法的优势是可以指定打开文件的方式,不过不支持用按位或的方式组合FD,因此不能同时写入多个文件。

  

  $fopen支持的文件打开方式如下表所示,支持的方式与在C语言种的含义相

type参数  功能
r / rb 只读,文件指针指向文件头(不删除文件已有内容);文件不存在则返回0
r+ / r+b / rb+ 可读可写,文件指针指向文件头(删除文件已有内容);文件不存在则返回0
w / wb 只写,文件指针指向文件头(删除文件已有内容);文件不存在则尝试创建
w+ / w+b / wb+ 可读可写,文件指针指向文件头(删除文件已有内容);文件不存在则尝试创建
a / ab 只写,文件指针指向文件末尾(不删除文件已有内容);文件不存在则尝试创建
a+ / a+b/ ab+ 读写方式打开,文件指针指向文件末尾(不删除文件已有内容);文件不存在则尝试创建

  $fclose通过MCD或FD关闭了文件后,则不能再对此文件进行读、写操作,对此文件的fmonitor和fmonitor和fmonitor和fstrobe操作同时也会取消。相应的资源也会释放出来,用于打开其它文件。

  2.2 文件输出  

  $fdisplay、$fwrite、$fstrobe、$fmonitor

  显示任务的信息输出对象为“标准输出”,在Vivado中也就是Tcl控制台;加了"f"后,文件输出任务的信息输出对象为“文件”

  唯一区别在于:文件输出任务的第一个参数是要写入文件的MCD或FD

  此外也没有与monitoron和monitoron和monitoron和monitoroff对应的任务。

  如果要关闭fmonitor或fmonitor或fmonitor或fstrobe任务的监控,需要用$fclose关闭文件来实现


  下面给出一个示例代码,展示了MCD和FD的区别,以及如果通过按位或操作同时执行多个MCD的文件输出:

 1 reg [31:0] fd1, fd2, fd3;
 2 reg [31:0] mcd1, mcd2, mcd3;
 3 reg [31:0] file_output;
 4 initial begin
 5     // MCD FILE OPEN
 6     mcd1 = $fopen("test1.txt");
 7         if (mcd1 == 0) begin $display("mcd open1 failed!"); $finish; end
 8     mcd2 = $fopen("test2.txt");
 9         if (mcd2 == 0) begin $display("mcd open2 failed!"); $finish; end
10     mcd3 = $fopen("test3.txt");
11         if (mcd3 == 0) begin $display("mcd open3 failed!"); $finish; end
12     // 同时写入3个文件    
13     file_output = mcd1 | mcd2 | mcd3 | 1;
14     $fdisplay(file_output,"mcd1: %h, mcd2: %h, mcd3: %h", mcd1, mcd2, mcd3);
15     $fclose(mcd1); $fclose(mcd2); $fclose(mcd3);
16     
17     // FD FILE OPEN
18     fd1 = $fopen("test4.txt", "r+"); 
19     fd2 = $fopen("test5.txt", "r+"); 
20     fd3 = $fopen("test6.txt", "r+"); 
21     $display("fd1: %b, fd2: %b, fd3: %b", fd1, fd2, fd3);
22     $fclose(fd1); $fclose(fd2); $fclose(fd3);
23 end

  使用按位或运算符将多个MCD合并在一起,1(即32bit中的LSB)表示标准输出,在Vivado中是Tcl控制台。执行$fdisplay会向三个文件和Tcl控制台同时输出信息。

  终端打印信息如下,MCD和FD的值与前面所说的它们的特点相吻合:

1 mcd1: 00000002, mcd2: 00000004, mcd3: 00000008
2 fd1: ffffb1e0, fd2: ffffb1e1, fd3: ffffb1e2

 

  2.3 数据转换为字符串

  swrite 任务(包括swriteb、swriteo、swriteo、swriteo、swriteh)和 $sformat 任务可以将数据以格式化的形式转换为字符串,存储到reg型变量中。

  它们的使用方法和 $fwrite 完全一样,只是第一个参数不是要输出的文件FD或MCD,而是要输出的reg型变量的名称。

 

  这两个任务的功能和C语言stdio.h库中sprintf函数的功能类似。这两个的任务的区别在于:

    $swrite:和其它任务一样,格式控制可以放在参数列表的不同参数中
    $sformat:格式控制只能放在第二个参数中,其余参数全部被视作输出项(和stdio库的sprintf函数用法完全相同)。

  下面给出一个示例代码,试图将128和351两个数字拼接为字符串存放在reg变量中:

 1 reg [6*8:1] str_reg1, str_reg2;
 2 reg [8:0] str1 = 128, str2 = 351;
 3 initial begin
 4     // 格式控制放在不同的参数中
 5     $swrite(str_reg1,"%0d","%0d",str1,str2);//"%0d",str2);
 6     $display("The value of str_reg1 is : %s", str_reg1); 
 7     
 8     // 格式控制只能放在第二个参数中
 9     $sformat(str_reg2,"%0d","%0d",str1,str2);//"%0d",str2);
10     $display("The value of str_reg2 is : %s", str_reg2); 
11 end

  终端打印信息如下:

1 The value of str_reg1 is : 128351
2 ERROR: No Format provided for this argument
3 ERROR: No Format provided for this argument
4 The value of str_reg2 is : 437220

  两个任务都采用将格式控制"%d"放在两个参数内的形式。swrite正确的得到了字符串"128351";sformat得到的结果错误,且提示了两次ERROR信息。这正是因为$format只将第二个参数"%d"视作格式控制,其余三个参数视作输出项,导致错误发生。


  2.4 读取数据到内存中

  $readmemb 和 $readmemh 可以批量地把文本文件中的数据读入到内存中,是一种快速的文件读取方法,无需打开文件、关闭文件等操作。

  读取的文本文件只能包含以下内容:

    空白区:空格、换行、TAB、跳页;

    注释:支持所有类型的注释。使用注释和空白区的目的是为了分割不同的数字;    

    二进制或十六进制数字:readmemb用于读取二进制数据,readmemh用于读取十六进制数据。


  两个任务的使用方法如下:

  假设先定义一个有256个地址的字节存储器 memory_name

  reg [7:0] memory_name[1:256];

1     $readmemb/h("file_name.data", memory_name);
2     $readmemb/h("file_name.data", memory_name, start_addr);
3     $readmemb/h("file_name.data", memory_name, start_addr, final_addr);

  第一条语句在仿真时刻为0时,将装载数据到以地址是1的存储器单元为起始存放单元的存储器中去;

  第二条语句将装载数据到以单元地址是 start_addr 的存储器单元为起始存放单元的存储器中去,一直到地址是256的单元为止;

  第三条语句将从地址是 start_addr 的单元开始装载数据,一直到地址为 final_addr的单元。

  

  内存地址也可以在文本文件中定义,使用" @hhhh ",即@符号+十六进制形式的地址数据。这样牵涉到的情况比较复杂,下面以示例的形式说明:

 1 // test1:正常读取
 2 
 3 调用任务:$readmemh("../test5.txt");
 4 文本内容:A5A5 1234 8BCD 5869 2386
 5 内存内容:a5a5,1234,8bcd,5869,2386,
 6 
 7 // test2:调用任务时指定内存地址 => 按地址递增顺序存放在指定的地址范围内
 8 
 9 调用任务:$readmemh("../test5.txt", data, 2, 4);
10 文本内容:A5A5 1234 8BCD 5869 2386
11 内存内容:xxxx,xxxx,a5a5,1234,8bcd,
12 
13 // test3:调用任务时指定内存地址,起始地址小于结束地址 => 按地址递减顺序存放
14 
15 调用任务:$readmemh("../test5.txt", data, 4, 2);
16 文本内容:A5A5 1234 8BCD 5869 2386
17 内存内容:xxxx,xxxx,8bcd,1234,a5a5,
18 
19 // test4:文件内指定内存地址+注释 => 忽略注释的数据
20 
21 调用任务:$readmemh("../test5.txt");
22 文本内容:@2 A5A5 @3 1234 //8BCD 5869 2386
23 内存内容:xxxx,xxxx,a5a5,1234,xxxx,
24 
25 // test5:文件内指定内存地址,地址随机顺序 => 数据分别存放到指定位置
26 
27 调用任务:$readmemh("../test5.txt");
28 文本内容:@2 A5A5 @1 1234 @4 8BCD //5869 2386
29 内存内容:xxxx,1234,a5a5,xxxx,8bcd,
30 
31 // test6:调用任务和文件内都指定了地址 => 文件内的地址必须在任务参数地址的范围内
32 
33 调用任务:$readmemh("../test5.txt");
34 文本内容:@2 A5A5 @1 1234 @4 8BCD //5869 2386
35 内存内容:xxxx,xxxx,a5a5,xxxx,xxxx,
36 报错:ERROR: Out of bounds address specified in datafile. Read terminated.

 

  2.5 随机数random

  $random函数用于生成随机数,每次调用时返回一个新的32bit随机数(带符号整数)。该函数有一个可选的参数(reg、integer或time类型),表示随机种子。下面给出两个例子:

1 // example1: 产生(-b+1)到(b-1)之间的随机数
2 reg [23:0] rand;
3 rand = $random % b;
4 
5 // example2: 产生0到b-1之间的随机数
6 reg [23:0] rand;
7 rand = {$random} % b;

 

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