聊聊Systemverilog中的function in constraints

有些情况下，constraint不能简单用一行来表达，而是需要复杂的计算，如果都写到constraint block内部就比较复杂，而且很乱，这时候可以调用functions来约束随机变量。在constraint内调用function就称为”function in constraints”。它的格式如下：

constraint constraint_name { rand_var == function_call(arguments...); }

function的定义写在constraint block之外，它内部包含了对arguments的处理。
在调用randomize()的时候，function会先被求解，function的返回值将会作为state variables去参与接下来的求解。

不过在使用function in constraints有以下几点需要注意：

在constraint内部调用的function不能包含output或ref类型的arguments，但是const ref是允许的；
在constraint内部调用的function应该是automatic类型的；
在constraint内部调用的function不能修改constraints，例如调用rand_mode或constraint_mode方法；
Function会先被求解，也就是它的返回值会被当作state variables。因此，function的arguments和其它rand variables会隐含建立求解order关系(有一点点类似solve…before…)，arguments会先求解，解完之后作为传入function得到返回值作为state variables，最后再求解其它rand variables。另外，如果隐含约束关系会造成求解循环依赖，那么仿真器将会报错；

顺便提一下state variables的概念，它是constraint guards的一种，我们可以把它理解成常数(constants)，也就是它的值是固定的了，不会发生变化，不会创建constraint。

接下来看个例子来加深印象。

代码1如下：

class packet;
  rand int length, size, add;
  
  constraint const_c { /*solve length before size;*/ length == calc(size, add); }
  constraint const_d { size inside {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}; }
  constraint const_e { add inside {1, 0}; }
  
  function int calc(int _s, int _m);
    if ( _m )
      return ( 100 + 2**_s + _s);
    else
      return ( 100 - 2**_s - _s);
  endfunction: calc
  
endclass

module top;
  initial begin
    packet pkt;
    pkt = new();
    repeat(3) begin
      pkt.randomize();
      $display("length = %0d, size = %0d, add=%0d",pkt.length, pkt.size, pkt.add);
    end
  end
endmodule

使用Cadence Xcelium 20.09运行结果如下：

xcelium> run
length = 120, size = 4, add=1
length = -35, size = 7, add=0
length = 80, size = 4, add=0
xmsim: *W,RNQUIE: Simulation is complete.

结果分析：

上面例子在const_c constraint block里使用了函数calc，block给calc传递的实参是size和add，因此systemverilog会先求解size和add变量的值，然后再去计算calc的返回结果，这时size, add以及calc()函数的返回值都当作state variables，最终再去求解length变量的值。

但如果将代码1里第4行的/*solve length before size;*/注释打开，也就是如下代码2：

class packet;
  rand int length, size, add;
  
  constraint const_c { solve length before size; length == calc(size, add); }
  constraint const_d { size inside {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}; }
  constraint const_e { add inside {1, 0}; }
  
  function int calc(int _s, int _m);
    if ( _m )
      return ( 100 + 2**_s + _s);
    else
      return ( 100 - 2**_s - _s);
  endfunction: calc
  
endclass

module top;
  initial begin
    packet pkt;
    pkt = new();
    repeat(3) begin
      pkt.randomize();
      $display("length = %0d, size = %0d, add=%0d",pkt.length, pkt.size, pkt.add);
    end
  end
endmodule

那么使用Cadence Xcelium 20.09运行结果变成如下所示：

xcelium> run
xmsim: *W,RNDSVB: These solve/before constraints are circular:
0.	length -> size
		  constraint const_c { solve length before size; length == calc(size, add); } (./testbench.sv,4)
1.	size -> length
		( because of an implicit solve..before for random function-call arguments ):   constraint const_c { solve length before size; length == calc(size, add); } (./testbench.sv,4)

      pkt.randomize();
                  |
xmsim: *W,SVRNDF (./testbench.sv,22|18): The randomize method call failed. The unique id of the failed randomize call is 0.
Observed simulation time : 0 FS + 0

结果分析：

这是因为solve length before size与cacl()函数创造的隐含求解order约束冲突了。(Circular dependencies)