一个简单的 HVL 示例

HVL - Hardware Verification Language

HVL 是 Hardware Verification Language（硬件验证语言）的缩写。

HVL 是专门用于硬件验证场景的语言,能够控制验证平台的运行或描述复杂的验证逻辑。SystemVerilog 就是一种常见的 HVL,而 Verilua 则选择使用 Lua(具体是 LuaJIT)作为 HVL,在 LuaJIT 基础上构建了硬件验证 DSL,使得用户能够使用 Lua 语言编写硬件验证业务代码。

本节将通过一个简单的例子（针对 HVL 场景）来展示 Verilua 的基本使用方法。

本节所使用的示例代码可以在 这里 找到。

0. 准备 RTL 文件

下面是本节中使用到的 DUT（Design Under Test）的 RTL 代码，主要是一个简单的 Counter 模块。

Design.v

module Design(
    input  wire clock,
    input  wire reset,
    input  wire inc,
    output wire [7:0] value
);

reg [7:0] value_reg;

always@(posedge clock) begin
    if (reset)
        value_reg <= 8'd0;
    else if (inc == 1'b1) begin
        value_reg <= value_reg + 1'b1;
    end
end

assign value = value_reg;

endmodule

1. 创建一个 Lua 脚本文件

下面是本节中使用到的 Lua 脚本文件，它将会在 Verilua 中被调用，从而控制硬件仿真的过程，这类似 C 语言中的 main 函数。

main.lua

fork {
    function()
        -- sim.dump_wave("./wave/hello_world.vcd") -- dump wave file

        dut.clock:negedge()
        dut.reset:set(1)
        dut.clock:negedge()
        dut.reset:set(0)
        dut.clock:negedge()

        dut.clock:negedge(10, function()
            print("current cycle:", dut.cycles:get())
        end)

        -- we recommend using the `chdl()` method to get the `CallableHDL` of the signal which provides higher performance
        local clock = dut.clock:chdl()

        dut.value:dump() -- dump the value of the signal to the console
        dut.value:expect(0)

        clock:negedge()
        dut.inc:set(1)
        clock:negedge()
        dut.inc:set(0)

        dut.value:expect(1)
        dut.value:dump()

        clock:negedge()
        dut.inc:set(1)
        clock:negedge()
        dut.inc:set(0)

        if dut.value:is(2) then
            print("dump_str() => ", dut.value:dump_str())
            print("get() => ", dut.value:get())
        end

        clock:negedge()
        dut.inc:set(1)

        clock:posedge(10)
        dut.inc:set(0)

        dut.value:expect(11)

        sim.finish() -- finish the simulation
    end
}

-- start task will be called when the simulation starts
initial {
    function()
        print("Simulation started!")
    end
}

-- finish task will be called when the simulation finishes
final {
    function()
        print("Simulation finished!")
    end
}

上述代码的相关语法解释

• fork 这个语句用于创建一个或多个新的 task，Verilua 中所有的 task 能够以类似并行的方式进行调度；

创建 task

推荐直接使用 fork 来创建 task，例如:

fork {
    function ()
        print("fork task 1")
    end,
    function ()
        print("fork task 2")
    end,
    -- Other tasks...
}

这里的每一个 function 在 Verilua 的底层中都被用于创建一个个的 coroutine 从而允许 Verilua 的 Scheduler 进行调度。

• sim.dump_wave() 这一函数用于启动波形文件的输出，也可以接收一个参数用来指定生成的文件，例如 sim.dump_wave("./wave.vcd")，如果没有指定（此处的用法），那么默认生成的波形文件名为 test.vcd

波形文件的输出路径

使用 sim.dump_wave() 生成的波形文件通常保存在 ./build/<simulator>/<target_name> 中，其中 <simulator> 是仿真器的名称，<target_name> 是 target 的名称。例如如果使用的 simulator 是 verilator，那么就会生成 ./build/verilator/TestDesign 的波形文件。

• dut.clock:negedge() 这一行中的 dut 用于指代当前的一整个 DUT，可以使用 dut.<top_signal> 来访问 DUT 的接口信号，这里的 dut.clock 就是 DUT 的顶层 clock 信号，而 dut.clock:negedge() 用于等待 clock 信号的下降沿，一旦调用这一函数，那么就会将此时的函数控制权交给仿真器，等到 clock 的下降沿到达的时候再通过 Scheduler 返回交出控制权的位置；

关于 dut

dut 是 Verilua 中的一个全局的 table，主要用来提供临时的信号访问功能，具体说明见 全局信号代理（ProxyTableHandle / dut），如果想用 dut 来访问 DUT 的内部信号(顶层的接口信号不需要)，那么需要以 dut.u_<top_module_name>.<internal_signal_name> 的方式访问，例如 dut.u_Design.value，这里加上 u_<top_module_name> 的原因是因为 Verilua 在编译的时候会根据所提供的 RTL 信息自动创建 Testbench，这个 Testbench 中会例化当前的 DUT，并将其取名为 u_Design。下面是自动生成的 Testbench 的部分代码：

tb_top.sv

module tb_top;
    // ...

    reg clock;
    reg reset;

    initial begin
        clock = 0;
        reset = 1;
    end

    always #10 clock = ~clock;

    // ...

    // -----------------------------------------
    // reg/wire declaration
    // -----------------------------------------
    reg                  inc          ; // Input
    reg[7:0]             test         ; // Input
    wire[7:0]            value        ; // Output

    // ...

    // -----------------------------------------
    //  DUT module instantiate
    // -----------------------------------------
    Design u_Design (
        .clock   (clock  ), // direction: In         dataType: logic
        .reset   (reset  ), // direction: In         dataType: logic
        .inc     (inc    ), // direction: In         dataType: logic
        .test    (test   ), // direction: In         dataType: reg[7:0]
        .value   (value  )  // direction: Out        dataType: logic[7:0
    ); // u_Design

    // ...
endmodule

关于 negedge

类似 negedge 的仿真时间控制函数还有 posedge、edge等，详见多任务系统 — 注册任务回调，需要注意的是这些函数只能对位宽为 1 的信号进行使用！

• negedge 可以接收两个参数，第一个是等待的次数，第二个是回调函数，回调函数在每次触发事件的时候都会被执行。

  main.lua

          dut.clock:negedge(10, function ()
              print("current cycle:", dut.cycles:get())
          end)

• dut.reset = 1 和 dut.reset = 0 可以通过 dut 给 reset 信号赋值，其行为与 <chdl>.value = <value> 一致，会在 VPI 的 cbReadWriteSynch 阶段统一写入，并且支持 CallableHDL.value 的宽度感知输入类型。 如果需要立即赋值，可以使用 dut.reset:set_imm(1) 和 dut.reset:set_imm(0)；这里的 imm 是 immediate 的缩写，即立即（关于立即赋值与普通赋值的区别将会在后续的教程中进行介绍，具体可以看 这里）。

• local clock = dut.clock:chdl() 用于创建一个 Verilua 的 CallableHDL 对象（也叫 chdl），这个对象用于管理 tb_top.clock 这个信号（dut 默认代表的 Testbench 顶层是 tb_top，也可以进行修改，但是不建议这么做）。

  • CallableHDL 其内部包括了多种信息，包括信号位宽、hierarchy path 等。
  • 还包括了各种用于控制信号的方法，例如：<chdl>:set(<value>) 用于设置信号的值，<chdl>:get() 用于获取信号的值，<chdl>:posedge() 用于等待信号上升沿，等等。
  • 使用 CallableHDL 对象对信号进行操作的性能比使用 dut 进行操作时的性能更高（底层实现的差异所导致的，dut 主要用于临时访问信号，不建议在性能要求较高的场景大量使用 dut 的方式访问信号）。

• dut.value:dump() 用于将信号的值（主要是以 Hex String 的形式）输出到控制台，可以用于查看信号的值，所有的信号相关的操作方式都有这个方法，包括上面提到的 CallableHDL。打印的内容如下所示：

  Terminal

  [tb_top.value] => 0x01

• dut.value:dump_str() 会将原本dut.value:dump() 的输出的内容作为一个返回值进行返回，因此 dut.value:dump() 也等价于 print(dut.value:dump_str())。

• dut.value:expect(0) 的 expect 方法用于断言信号的值，如果信号的值与期望值相等则什么也不会发生，如果不相等则会打印报错信息并停止仿真。错误信息格式如下所示：

  Terminal

  [tb_top.value] expect => 10, but got => 0

  类似 expect 的其他方法有 expect_hex_str 用于断言信号的 Hex String 值，expect_dec_str 用于断言信号的 Decimal String 值，expect_bin_str 用于断言信号的 Binary String 值。下面的几种写法是等价的：

  dut.value:expect(10)
  dut.value:expect_hex_str("a")
  dut.value:expect_dec_str("10")
  dut.value:expect_bin_str("1010")

• dut.value:is(2) 的 is 方法用于判断信号的值是否等于某个值，如果等于则返回 true，否则返回 false。类似 is 的方法还有 is_hex_str、is_dec_str、is_bin_str，还有一个 is_not 方法，其功能和 is 相反，但是如果等于则返回 false，否则返回 true。

• dut.inc:set(1) 的 set 方法用于设置信号的值。set 会先暂存写入值，并在 VPI 的 cbReadWriteSynch 阶段统一写入；如果需要直接写入 HDL，请使用 dut.inc:set_imm(1) 或 dut.inc:chdl().value_imm = 1（具体可以看 这里）。dut 的 set* 方法保留历史行为，只支持 Lua number 并按 32-bit 整数写入；如果需要写入 uint64_t、多 beat table 或 BitVec 等宽度感知值，请显式使用 dut.inc:chdl():set(...)。

• dut.inc:get() 的 get 方法用于获取信号的值，返回的值是一个 Lua 的 number 类型的值。如果需要 CallableHDL 的宽度感知返回值，可以显式使用 dut.inc:chdl():get()。

• sim.finish() 用于控制仿真器结束仿真。

• initial { ... } 用于添加仿真开始执行时调用的函数，而 final { ... } 则用于添加仿真结束执行时调用的函数。这两个函数都能添加多个 function 块，例如：

  initial {
      function ()
          print("Simulation started! 1")
      end,
      function ()
          print("Simulation started! 2")
      end,
      -- ...
  }

2. 创建一个 xmake.lua 文件

Verilua 的工程（HVL 和 WAL 场景）使用 xmake 来管理，因此需要先在你的工程文件夹中创建一个 xmake.lua 文件。xmake 是一个基于 Lua 的构建工具（类似 makefile，cmake 等），提供了灵活的构建方式。关于 xmake 的使用，可以参考 xmake 官方文档。关于 Verilua 中支持的相关 xmake 配置参数，可以查看此处的介绍。

xmake.lua:

xmake.lua

target("TestDesign", function()                -- target 的名称可以随意取
    --
    -- Mandatory settings
    --
    -- 添加 Verilua 的规则，xmake 中支持自定义 rule，具体可以参考 xmake 相关文档
    add_rules("verilua")

    -- 添加用来执行硬件仿真的仿真器，这里使用的是 Verilator，还可以选择 @vcs、@xcelium 或 @iverilog
    add_toolchains("@verilator")

    -- 添加 RTL 文件, 也可以使用通配符进行匹配，如 ./*.v
    -- 如果 main.lua 中使用到了其他的 Lua 模块，和添加 RTL 文件一样这里也可以添加 Lua 文件
    add_files("./Design.v")

    -- 设置 RTL 文件中的 top 实例名称（顶层模块名称），这里就是 Design
    set_values("verilua.top", "Design")

    -- 设置需要执行的 Lua 脚本文件，一般只有一个主脚本，这里就是前面创建的 main.lua
    set_values("verilua.lua_main", "./main.lua")


    --
    -- Optional settings
    --
    -- `XXX`.flags 用于设置编译时选项，将会在编译仿真的时候被添加到对应的仿真器的命令行中
    -- 这里的 XXX 可以是 verilator、vcs、 xcelium、iverilog 等
    -- 下面这里主要添加了 Verilator 中用于输出波形文件的选项
    set_values("verilator.flags", "--trace", "--no-trace-top")

    -- `XXX`.run_prefix 用于设置仿真器的运行前缀，将会在运行仿真的时候被添加到命令行的前面
    set_values("verilator.run_prefix", "")
end)

xmake.lua（无注释）:

xmake.lua

target("TestDesign", function()
    add_rules("verilua")
    add_toolchains("@verilator")
    add_files("./Design.v")
    set_values("verilua.top", "Design")
    set_values("verilua.lua_main", "./main.lua")
    set_values("verilator.flags", "--trace", "--no-trace-top")
    set_values("verilator.run_prefix", "")
end)

3. 编译

在创建好 xmake.lua 文件之后，我们就可以开始编译了，只需要执行下面的命令即可进行编译:

xmake build -P . TestDesign

• 上面的命令中，TestDesign 是我们创建的 target 的名称。
• 如果 RTL 文件没有被再次修改，那么只需要执行一次编译即可，如果文件被修改了，那么需要再次执行编译。
• 如果 Lua 文件（这里主要是 main.lua）被修改了，也不需要重新编译，因为 Lua 是解释执行的语言，不需要编译。
• -P . 用于指定 xmake 的运行路径为当前目录，如果不指定，那么 xmake 会自动查找上层的 xmake.lua 文件。因此这里添加了 -P . 参数，以便在当前目录下执行 xmake。如果你的工程目录的上一层目录没有 xmake.lua 文件，那么就不需要添加 -P . 参数。
• 如果编译成功，会在命令行最后输出 [100%]: build ok, spent XXXs 的信息，如果编译失败，那么会显示 error。

4. 运行仿真

编译完成后，可以执行下面的命令运行仿真：

xmake run -P . TestDesign

至此，我们就完成了一个简单的 Verilua 示例，并成功运行起仿真，可以看到由于 Verilua 使用 xmake 进行工程管理，因此相关的流程和编译配置都相对简单，提高了开发的效率。

相关文档

• 安装指南：先完成环境安装，再按本文示例创建工程。
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• 编写 xmake.lua：进一步了解 xmake.lua 的组织方式和常见配置。
• xmake 参数说明：查看 verilua.top、verilua.lua_main 和仿真器参数的完整说明。
• 信号句柄（CallableHDL）：了解 dut.clock、set、set_imm 等信号操作接口。
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