设计模式在芯片验证中的应用——备忘录

1. 前言

软件设计模式定义了一组类和它们之间的关系，它们相互作用用以解决软件开发过程中面临的常见问题。由于验证工程师所做工作的重要部分包括使用面向对象语言(如SystemVerilog)进行编码，因此许多遇到的挑战都适合应用特定的设计模式来解决。将它们应用到代码中，有助于代码的可重用性和可维护性，从而提高了整体代码质量。本文介绍备忘录(亦称： 快照、Snapshot、Memento)在验证环境中的使用，来对设计逻辑中实现的特性进行建模。

2. 备忘录

备忘录模式是一种行为设计模式， 允许在不暴露对象实现细节的情况下保存和恢复对象之前的状态。在软件开发环境中，它在应用程序中提供了撤销机制，促进了数据的隐藏，并且不违背封装原则。在验证环境中，它可以用来对需要“恢复的场景”进行建模。举个例子，如下图所示，比如Arm CPU运行在状态pstate1下，这时候突然来了个中断导致它切换到状态pstate2，中断可能嵌套，继续切换到状态pstate3、pstate4、pstate5等等，中断处理结束后，需要返回到之前的运行状态。因此在中断切换状态时需要保存当前的CPU状态信息，这样才能在中断处理完成后，根据历史保存的CPU状态信息切换回来。备忘录模式提供了很好的建模方式。

备忘录模式提供了三个主要组件：

Memento：表示要保存和恢复的内容的容器类，在上图示例中Memento类包含pstate的状态和相应的get/set方法。

Originator：使用Memento类来保存当前的状态。它类似于这里CPU的角色。

Caretaker：请求Originator保存状态，且它直到所有保存的状态，并且可以请求恢复到历史的某个状态。

下图使用UML类图提供了上述三者之间的图形化关系，如何看懂UML类图大家可以自行搜索下资料。

3. 参考代码

CPU处理中断进入和返回状态的参考代码如下：

typedef struct packed {
    bit [3:0] nzcv;
    bit [1:0] currentel;
    bit       tco;
} pstate_t;
 
class memento extends uvm_object;
 
    `uvm_object_utils (memento)
 
    local pstate_t pstate;
 
    function new (string name = "memento");
        super.new(name);
    endfunction : new
 
    function void set_pstate(pstate_t _pstate);
        this.pstate = _pstate;
    endfunction : set_pstate
    function pstate_t get_pstate();
        return pstate;
    endfunction : get_pstate
 
endclass : memento
 
class originator extends uvm_object;
 
    `uvm_object_utils (originator)
 
    local pstate_t pstate;
 
    function new (string name = "originator");
        super.new(name);
    endfunction : new
 
    function void change();
        pstate = $random();
    endfunction : change
    function memento create_snapshot();
        memento m_memento = memento::type_id::create("m_memento");
        m_memento.set_pstate(pstate);
        `uvm_info("[snapshot pstate:]", $psprintf("nzcv:'b%b, currentel:'b%b, tco:'b%b", pstate.nzcv, pstate.currentel, pstate.tco), UVM_LOW)
        return m_memento;
    endfunction
    function void restore (memento _snapshot);
        pstate = _snapshot.get_pstate();
        `uvm_info("[restore pstate:]", $psprintf("nzcv:'b%b, currentel:'b%b, tco:'b%b", pstate.nzcv, pstate.currentel, pstate.tco), UVM_LOW)
    endfunction : restore
 
endclass : originator
 
class caretaker extends uvm_object;
 
    `uvm_object_utils (caretaker)
 
    local memento    memento_q[$];
    local originator m_orig;
 
    function new (string name = "caretaker");
        super.new(name);
    endfunction : new
 
    function void set_originator(originator _m_orig);
        m_orig = _m_orig;
    endfunction : set_originator
    function void dosomething();
        memento_q.push_back(m_orig.create_snapshot);
        m_orig.change();
    endfunction : dosomething
    function void undo(int unsigned _index);
        if (_index > memento_q.size() || memento_q.size() == 0 ) $fatal;
        m_orig.restore(memento_q[_index]);
    endfunction : undo
 
endclass : caretaker

模拟测试代码如下：

class monitor;
 
    function void test();
        caretaker  m_caretaker  = caretaker::type_id::create("m_caretaker");
        originator m_originator = originator::type_id::create("m_originator");
        m_caretaker.set_originator(m_originator);
        m_caretaker.dosomething(); // snapshot0
        m_caretaker.dosomething(); // snapshot1
        m_caretaker.dosomething(); // snapshot2
        m_caretaker.dosomething(); // snapshot3
        m_caretaker.undo(1);
        m_caretaker.dosomething(); // snapshot4
        m_caretaker.undo(3);
    endfunction : test
 
endclass : monitor

输出仿真结果如下：

[[snapshot pstate:]] nzcv:'b0000, currentel:'b00, tco:'b0
[[snapshot pstate:]] nzcv:'b0100, currentel:'b10, tco:'b0
[[snapshot pstate:]] nzcv:'b0000, currentel:'b00, tco:'b1
[[snapshot pstate:]] nzcv:'b0001, currentel:'b00, tco:'b1
[[restore pstate:]] nzcv:'b0100, currentel:'b10, tco:'b0
[[snapshot pstate:]] nzcv:'b0100, currentel:'b10, tco:'b0
[[restore pstate:]] nzcv:'b0001, currentel:'b00, tco:'b1

在提供的示例中，保存和恢复动作是由中断进入和中断退出事件触发的。在UVM中，事件由监视器(monitor)发出的，该监视器观察中断接口并使用Memento设计模式。该例子支持保存和恢复多个CPU状态。遇到中断时，caretaker的do_something()函数在开始时就把当前的pstate存储到memento里，然后进行其它的中断处理动作，相当于备份了历史状态。如果中断结束了，caretaker的undo()函数可以指定返回到哪个历史状态。

下次给大家分享下设计模式中责任链模式(Chain of Responsibility)在芯片验证中的应用。