1前言

對(duì)于許多FPGA/IC工程師而言，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)游刃有余，驗(yàn)證仿真卻常成短板——傳統(tǒng)驗(yàn)證方法面臨兩難困局：學(xué)習(xí)UVM需投入大量時(shí)間成本，而純Verilog自仿又會(huì)陷入重復(fù)造輪子的低效循環(huán)。以通信協(xié)議仿真為例，僅報(bào)文解析就需要重寫整套解析邏輯，相當(dāng)于用Verilog再實(shí)現(xiàn)一次協(xié)議棧，耗時(shí)費(fèi)力。
此時(shí)，Python的生態(tài)優(yōu)勢便鋒芒盡顯。其豐富的字符串處理庫可直接解析報(bào)文，配合Cocotb框架，僅需少量Python代碼即可構(gòu)建高效測試平臺(tái)，將驗(yàn)證工作量壓縮70%以上。Cocotb的獨(dú)特價(jià)值正在于此：用Python解放驗(yàn)證生產(chǎn)力，讓工程師專注于設(shè)計(jì)創(chuàng)新而非重復(fù)勞動(dòng)。

2阻塞與非阻塞

在cocotb中阻塞操作需要使用await，而非阻塞隊(duì)列操作則不需要，如果阻塞不使用await，協(xié)程則會(huì)一直暫停，直到條件滿足，我們可以類比為await操作相當(dāng)于Verilog中的阻塞賦值=，而不使用await則類似于Verilog中的非阻塞賦值<=。當(dāng)我們在cocotb中執(zhí)行阻塞隊(duì)列操作時(shí)，協(xié)程會(huì)在執(zhí)行到隊(duì)列操作時(shí)暫停，直到特定條件被滿足為止，這時(shí)需要使用await來使協(xié)程等待。例如，await queue.get()會(huì)阻塞當(dāng)前協(xié)程，直到隊(duì)列中有數(shù)據(jù)可供獲取。而如果沒有使用await，協(xié)程將會(huì)一直停留在這個(gè)位置，無法繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作，直到條件滿足?？梢灶惐葹閂erilog中的阻塞賦值=，即當(dāng)某個(gè)操作完成之前，后續(xù)的語句都無法繼續(xù)執(zhí)行。

//Verilog中的阻塞賦值 always @(*)begin  b = a;  c = b; end  //Verilog中的非阻塞賦值 always @(posedge clk)begin  b <= a;  c <= b; end 

#python 阻塞 asyncdefassign_testa:  b = a  asyncdefassign_testb:  c = b  await assign_testa #等待testa執(zhí)行完，再執(zhí)行testb await assign_testa   #python 非阻塞 task1 = asyncio.create_task(assign_testa()) # 不會(huì)阻塞，馬上開始 assign_testa task2 = asyncio.create_task(assign_testb()) # 不會(huì)阻塞，馬上開始 assign_testb 

3Cocotb-Queue

我們可以把Queue類比為硬件中的FIFO，也是先進(jìn)先出的結(jié)構(gòu)。
Cocotb 提供了幾種隊(duì)列類型，用于協(xié)同多個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者協(xié)程的操作。它們是基于 asyncio 的Queue類，具有異步操作特性，并且可以幫助你在測試中同步不同的協(xié)程之間的通信。

class cocotb.queue.Queue(maxsize=0)

maxsize：指定隊(duì)列的最大容量。如果 maxsize 小于或等于 0，則隊(duì)列大小無限制。如果 maxsize 大于 0，當(dāng)隊(duì)列達(dá)到該大小時(shí)，put() 方法會(huì)阻塞，直到有空間。

我們在使用隊(duì)列時(shí)，需要首先定義一個(gè)Queue類

from cocotb.queue import Queue rx_queue = Queue() 

主要方法

async put(item)
將 item 放入隊(duì)列。
如果隊(duì)列已滿，則會(huì)等待直到有空間可用。

put_nowait(item)
將 item 放入隊(duì)列，不會(huì)阻塞。
如果隊(duì)列已滿，立即拋出 QueueFull 異常。

async get()
從隊(duì)列中移除并返回一個(gè)項(xiàng)。
如果隊(duì)列為空，會(huì)等待直到有項(xiàng)可以取出。

get_nowait()
從隊(duì)列中移除并返回一個(gè)項(xiàng)。
如果隊(duì)列為空，立即拋出 QueueEmpty 異常。

qsize()
返回隊(duì)列中當(dāng)前項(xiàng)的數(shù)量。

empty()
如果隊(duì)列為空，返回 True，否則返回 False。

full()
如果隊(duì)列已滿，返回 True，否則返回 False。

4Queue有什么用

其實(shí)他類似于硬件FIFO中的功能

生產(chǎn)者（例如monitor）負(fù)責(zé)從硬件或仿真環(huán)境中接收數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)放入隊(duì)列中。消費(fèi)者（例如校驗(yàn)器）則從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這個(gè)過程的關(guān)鍵在于隊(duì)列的使用，它能夠確保生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間不會(huì)直接依賴于對(duì)方的執(zhí)行進(jìn)度，從而避免了一個(gè)操作（如生產(chǎn)者）阻塞整個(gè)協(xié)程的情況。

如果沒有隊(duì)列，消費(fèi)者需要直接等待生產(chǎn)者生成數(shù)據(jù)，這就意味著消費(fèi)者的協(xié)程會(huì)一直被阻塞，直到生產(chǎn)者完成數(shù)據(jù)的生成。而使用隊(duì)列后，即使生產(chǎn)者暫時(shí)沒有數(shù)據(jù)可供消費(fèi)，消費(fèi)者仍然可以繼續(xù)執(zhí)行其他操作，只有在隊(duì)列中有數(shù)據(jù)時(shí)，消費(fèi)者才會(huì)從隊(duì)列中取出并進(jìn)行處理。這種解耦使得系統(tǒng)的執(zhí)行更為靈活和高效。

在cocotb仿真過程中，如果要校驗(yàn)的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量很大，建議使用Queue來完成校驗(yàn)數(shù)據(jù)的存取。我們通過receiver_monitor來入隊(duì)響應(yīng)報(bào)文，通過data_validator來出隊(duì)響應(yīng)報(bào)文，并校驗(yàn)報(bào)文是否正確

async def receiver_monitor(dut: SimHandle, sink: AxiStreamSink) -> None:   """異步接收協(xié)程"""  while True:  try:  frame = await sink.recv()  # 阻塞式接收  # rx_queue.put_nowait(frame)  # 非阻塞入隊(duì)  await rx_queue.put(frame)  # 阻塞入隊(duì)  except Exception as e:  dut._log.error(f"queue error: {e}")  raise  errors = [] async def data_validator(dut: SimHandle, frame_count: int) -None:  result = 0  while(result < frame_count):  frame = await rx_queue.get()  # 阻塞式出隊(duì)  data = (int.from_bytes(frame.tdata, byteorder='little'))  if data != result:  errors.append(f"CHECK ERROR, got {data},the result is {hex(result)}")  dut._log.error(f"verilate fail :{data},the result is {hex(result)}")  else:  dut._log.info(f"CHECK PASS receive data is :{data}")  result = result + 1  @cocotb.test() async def axis_simple_test(dut: SimHandle):  ......  assert len(errors) == 0,"TEST FAIL" 

5寫在最后

本文為原創(chuàng)Cocotb技術(shù)專欄，歡迎工程師伙伴們留言討論或交流，共同學(xué)習(xí)。若想第一時(shí)間獲取更新，可點(diǎn)擊下方「關(guān)注」或訂閱Cocotb專題。