设计模式在芯片验证中的应用——状态

1 状态模式

状态模式是一种行为设计模式，让你能在一个对象的内部状态变化时改变其行为，使其看上去就像改变了自身所属的类一样。

在RTL中可能存在复杂的有限状态机FSM，在任何一个特定状态中， RTL的行为都不相同，且可从一个状态切换到另一个状态。不过，根据当前状态， RTL可能会切换到另外一种状态，也可能会保持当前状态不变。这些数量有限且预先定义的状态切换规则被称为转移。

为了对RTL FSM进行建模，状态设计模式建议将每个状态的行为抽象成一个类，状态之间的切换相当于就是类对象的切换。主要可包括以下几个组件：

Context：它并不会自行实现所有行为，而是会保存一个指向表示当前状态的状态对象的引用，且将所有与状态相关的工作委派给该对象。
State：所有状态类的基类，所有状态类都必须遵循同样的接口，而且context必须仅通过state提供的接口函数与这些对象进行交互。
Concrete States：会自行实现特定于状态的方法。为了避免多个状态中包含相似代码，你可以提供一个封装有部分通用行为的中间抽象类。状态对象可存储对于上下文对象的反向引用。状态可以通过该引用从上下文处获取所需信息，并且能触发状态转移。

下图为状态设计模式在FSM中应用的一个UML类图。

2 参考代码

状态设计模式的参考代码如下：

typedef class fsm_context;
typedef class concrete_state1;
typedef class concrete_state2;

virtual class state;
    pure virtual function int process1(fsm_context cnxt);
    pure virtual function int process2(fsm_context cnxt);
endclass : state

class concrete_state1 extends state;
    function int process1(fsm_context cnxt);
        $display("concrete_state1 : process1");
        if ( cnxt.change_state ) begin
            concrete_state2 state2 = new();
            $display("concrete_state1 change to concrete_state2");
            cnxt.st = state2;
        end
    endfunction : process1

    function int process2(fsm_context cnxt);
        $display("concrete_state1 : process2");
        if ( cnxt.change_state ) begin
            concrete_state2 state2 = new();
            $display("concrete_state1 change to concrete_state2");
            cnxt.st = state2;
        end
    endfunction : process2

endclass : concrete_state1

class concrete_state2 extends state;
    function int process1(fsm_context cnxt);
        $display("concrete_state2 : process1");
        if ( cnxt.change_state ) begin
            concrete_state1 state1 = new();
            $display("concrete_state2 change to concrete_state1");
            cnxt.st = state1;
        end
    endfunction : process1

    function int process2(fsm_context cnxt);
        $display("concrete_state2 : process2");
        if ( cnxt.change_state ) begin
            concrete_state1 state1 = new();
            $display("concrete_state2 change to concrete_state1");
            cnxt.st = state1;
        end
    endfunction : process2

endclass : concrete_state2



class fsm_context;

    state st;

    function bit change_state();
        return 1; // for simplicity
    endfunction : change_state

    function void process_req1 (/*interface signals*/);
        st.process1(this /*, interface signals*/);
    endfunction : process_req1

    function void process_req2 (/*interface signals*/);
        st.process2(this /*, interface signals*/);
    endfunction : process_req2

endclass : fsm_context

‍模拟测试代码如下：

fsm_context fsm_st = new();
fsm_st.st = concrete_state1::new();
fsm_st.process_req1();
fsm_st.process_req2();

使用Questasim仿真输出日志如下：

 | # concrete_state1 : process1
 | # concrete_state1 change to concrete_state2
 | # concrete_state2 : process2
 | # concrete_state2 change to concrete_state1

‍

作者：沪闵菜菜子
文章来源：专芯致志er

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