SystemVerilog中“软约束”与“硬约束”的应用示例

在SystemVerilog中，约束一般分为两种：一种称之为“硬约束hard constraint”，这种也是我们经常使用到的约束方式，还有另外一种称之为“软约束soft constraint”，那么这个“软约束”是如何使用产生约束呢？本文将通过示例说明“软约束”的使用方法和注意事项。

“软约束”之所以“软”主要是因为“软约束”提供给了用户更多的自适应性，用户可以通过各种其他约束方式实现对于“软约束”的各种蹂躏。一般情况下，用户使用“软约束”实现默认约束的设置，当有新的约束或者更高优先级的约束时，尽管此时新的约束可能与“软约束”设置约束冲突，但是也不会产生任何warning，但是同样的约束冲突对于“硬约束”是无法忍受的，如下例。

【示例】“硬约束”约束冲突

【仿真结果】

示例中采用的是“硬约束”，因为定义在类中的约束与随机时指定的内嵌约束“矛盾”，所以导致约束解析器解析随机失败，即“硬约束”要求所有相关的约束条件不能互相矛盾，否则将会随机失败。同样的示例，如果我们采用“软约束”结果就不一样了，如下例。

【示例】

【仿真结果】

从仿真结果可以看到，在类中对变量dat_length进行约束时通过关键字“soft”指定当前约束为“软约束”，前类的对象随机时指定内嵌约束进行约束时，原来在类中通过“soft”指定的随机约束会被随机时指定的内嵌约束overriden，所以最终的随机结果dat_length为64，并且解析器也不会产生error或者warning。

除了上例这种“软约束”与“硬约束”交叉使用以外，在SystemVerilog中约束可以设置的方式很多，并且会存在各种约束比“软硬”的情况，为此，下面我们将通过各种交叉使用情况学习“软约束”到底有多“软”。

【示例】类中使用“软约束”，随机时使用内嵌“软约束”

【仿真结果】

从仿真结果可以看到，类中使用约束块定义了“软约束”，在对象随机时通过内嵌约束又指定了新的“软约束”，并且两处“软约束”并无交集，但是仿真结果中原有类中定义的约束块并没有起作用，起作用的是对象随机时指定的“软约束”，即内嵌约束中的“软约束”优先级高于类中约束块中定义的“软约束”，其取值范围可示意为下图。

【示例】类中使用“硬约束”，随机时使用内嵌“软约束”，并且约束无交集

【仿真结果】

示例中，类中约束块中采用了“硬约束”，对象随机内嵌约束中使用了“软约束”，并且“软约束”与“硬约束”无交集，从仿真结果可以看出，虽然内嵌约束在使用顺序上晚于“硬约束”，但是此时“软约束”并没有起作用，即“软约束”优先级低于“硬约束”，其取值范围可示意为下图。

【示例】类中使用“硬约束”，随机时使用内嵌“软约束”，并且约束有交集

【仿真结果】

示例中，当“硬约束”和“软约束”同时有效时，此时进行随机的数值范围为“硬约束”和“软约束”的交集，其取值范围可示意为下图。

通过上述几个示例，可以看到当同时存在“硬约束”和“软约束”时，“硬约束”的优先级更高，并且形成了对于“软约束”的碾压。当“硬约束”和“软约束”有交集时去两者交集，当“硬约束”和“软约束”无交集时，“硬约束”有效，“软约束”无效。上述示例是“硬约束”和“软约束”之间的关系，那么要是存在一堆“软约束”时，到底哪个约束或者哪几个约束会起作用呢？我们看下面的示例。

【示例】同一个类中存在多个“软约束”，且约束集无交集

【仿真结果】

示例中，在packet的内部定义了两个约束块，并且两个约束块没有交集，此时最终的仿真结果可以看出来取值范围受第二个约束块约束，即在相同的作用域内，如果有多个“软约束”，且约束块无交集时，那么最后一个“软约束”具有最高优先级，起决定作用，其取值范围可示意为下图。

【示例】同一个类中存在多个“软约束”，且约束集有交集

【仿真结果】

示例中，在packet的内部定义了两个约束块，并且两个约束块有交集，此时最终的仿真结果可以看出来取值范围受二个约束块的交集约束，即在相同的作用域内，且约束块有交集时，那么取值范围由两个“软约束”的交集决定，其取值范围可示意为下图。

因为内嵌约束实际上相当于类本身的拓展约束，所以如果类本身和内嵌约束都是用了“软约束”时，其作用效果也分为两种情况，第一种是有交集，此时随机变量的最终约束范围由多个约束块的交集决定；第二种是无交集，此时随机变量的最终约束范围由最后一次定义的“软约束”决定，即由内嵌约束快中的“软约束”决定。

上述示例都是针对SystemVerilog内嵌的数据类型进行定义的，如果随机变量使用户定义的类呢？请看下面示例。

【示例】

【仿真结果】

示例中，A和B都对其中元素进行了“软约束”，在C中对于A和B的两个句柄指向对象的元素再次进行“软约束”，当Cobj指向的对象在随机化时，此时Aobj和Bobj指向对象中的元素不受类A和B中定义的约束块中“软约束”影响，此时Aobj和Bobj仅受其所在类中约束块的影响，即类中对于其元素的“软约束”的优先级高于元素本身定义时指定的“软约束”。但是如果A和B本身对于其中元素采用的是“硬约束”，那么此时C中的“软约束”也将给“硬约束”让路。

通过上述的示例，soft约束在某种程度上提供了对于随机变量的默认约束，当有其他约束存在时，soft约束将会按照一定的优先级规律受到影响，甚至被overriden，具体可以总结如下：

“软约束”可以用于设置默认约束，并且同一个类中的多个“软约束”之间可以没有交集；

同一个类中对于某个随机变量的多个“软约束”，如果这些约束没有交集，那么最终有效的是将是距离调用randomize()最近的“软约束”；

类中使用“软约束”，随机时使用了内嵌“软约束”，内嵌约束的优先级高于类中定义时指定的“软约束”；

某个随机变量的“软约束”优先级低于其“硬约束”；

当“硬约束”和“软约束”同时有效时且有交集，此时进行随机的数值范围为“硬约束”和“软约束”交集；

在父类和子类中对于某个随机变量都进行了约束，则子类约束优先级高于父类中的优先级；

当A类作为B类的成员，那么A类中的“软约束”优先级低于B中“软约束”；

综上所述，“软约束”可用于设置默认约束，优先级低于“硬约束”，同样的“软约束”又根据其编写和调用的顺序优先级逐渐提高，最底层的“软约束”最“软”，整个约束的关系如下图所示。

编辑：黄飞