Assertion-based Verification: Técnicas de Teste em SV

Assertion-based Verification (ABV) é uma poderosa abordagem de verificaçãoIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital. que utiliza assertions (afirmações) para monitorar e validar o comportamento de um design em tempo de simulaçãoSimulação e Depuração: Ferramentas e Dicas PráticasAprenda técnicas de simulação e depuração em SystemVerilog, utilizando ferramentas, waveforms, asserts e logs para garantir designs confiáveis.. Diferentemente dos testes convencionais que se baseiam apenas em estímulos e respostas, as assertions fornecem uma forma de embutir regras, restrições e expectativas diretamente no código, facilitando a identificação rápida de violações de projeto. Nesse tutorial, discutiremos como aplicar ABV em SystemVerilogIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital. para garantir que módulos e blocos funcionem de acordo com suas especificações.

Por que Usar Assertion-based Verification?🔗

• Visibilidade de Erros: Ao codificar condições esperadas como assertions, o ferramental de simulaçãoSimulação e Depuração: Ferramentas e Dicas PráticasAprenda técnicas de simulação e depuração em SystemVerilog, utilizando ferramentas, waveforms, asserts e logs para garantir designs confiáveis. poderá gerar mensagens de aviso ou erro assim que essas condições forem violadas.
• Documentação Viva: As assertions funcionam como uma forma de documentação dentro do código, descrevendo o comportamento correto do design.
• VerificaçãoIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital. Contínua: As assertions podem atuar de maneira concorrente ou imediata, monitorando o design durante toda a simulaçãoSimulação e Depuração: Ferramentas e Dicas PráticasAprenda técnicas de simulação e depuração em SystemVerilog, utilizando ferramentas, waveforms, asserts e logs para garantir designs confiáveis..
• Redução de Esforço no DebugSimulação e Depuração: Ferramentas e Dicas PráticasAprenda técnicas de simulação e depuração em SystemVerilog, utilizando ferramentas, waveforms, asserts e logs para garantir designs confiáveis.: Ao detectar violações exatamente quando ocorrem, torna-se mais simples rastrear a causa e corrigir problemas.

Conceitos Fundamentais de Assertions em SystemVerilog🔗

Em SystemVerilogIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital., as assertions podem ser classificadas em duas categorias gerais:

1. Immediate Assertions

• São verificaçõesVerilog vs. SystemVerilog: Entendendo as Diferenças EssenciaisAprenda as principais diferenças entre Verilog e SystemVerilog, destacando recursos de OOP, novos tipos e verificação avançada para projetos digitais. simples que ocorrem no momento em que o código é executado.
• Geralmente usadas em blocos de simulaçãoSimulação e Depuração: Ferramentas e Dicas PráticasAprenda técnicas de simulação e depuração em SystemVerilog, utilizando ferramentas, waveforms, asserts e logs para garantir designs confiáveis. ou em partes do design sensíveis a eventos imediatos (por exemplo, checar se uma variável está em um intervalo válido neste exato ciclo).

2. Concurrent Assertions

• Avaliadas ao longo do tempo, baseando-se em condições temporais.
• São mais poderosas para capturar comportamentos sequenciais ou propriedades que se estendem por múltiplos ciclos de relógio.

A sintaxe para essas assertions é relativamente simples, mas seu uso requer identificação precisa das propriedades que se deseja monitorar.

Immediate Assertions🔗

As immediate assertions são executadas imediatamente durante o fluxo de simulaçãoSimulação e Depuração: Ferramentas e Dicas PráticasAprenda técnicas de simulação e depuração em SystemVerilog, utilizando ferramentas, waveforms, asserts e logs para garantir designs confiáveis. ou quando a condição dentro do assert é atingida. Um trecho de código típico para immediate assertions pode ser:

always_ff @(posedge clk) begin
    // Exemplo de verificação simples
    assert (data_in >= 0 && data_in < 256)
      else $fatal("data_in fora do intervalo esperado (0 - 255). Valor atual: %0d", data_in);
end

Neste exemplo:

• Monitora-se a entrada data_in a cada borda de subidaFlip-Flops e Latches: Tipos: SR, JK, D, T (funcionamento e clock)Aprenda os conceitos de Flip-Flops e Latches, incluindo tipos SR, JK, D e T, além do impacto do clock na sincronização de circuitos digitais. do relógio clk.
• Caso data_in não esteja no intervalo [0, 255], a simulaçãoSimulação e Depuração: Ferramentas e Dicas PráticasAprenda técnicas de simulação e depuração em SystemVerilog, utilizando ferramentas, waveforms, asserts e logs para garantir designs confiáveis. é encerrada ($fatal) e a mensagem de erro indica o valor que causou falha.

Benefícios das Immediate Assertions

• Simplicidade de implementação.
• Detecção instantânea de condições anormais.
• Baixo overhead para verificaçõesVerilog vs. SystemVerilog: Entendendo as Diferenças EssenciaisAprenda as principais diferenças entre Verilog e SystemVerilog, destacando recursos de OOP, novos tipos e verificação avançada para projetos digitais. diretas (condições pontuais).

Concurrent Assertions🔗

Diferentemente das immediate assertions, as concurrent assertions permitem capturar propriedades que se estendem por vários ciclos de relógio ou dependem de sequências de eventos. Essas propriedades são expressas usualmente em blocos property e avaliadas continuamente.

Estrutura Básica

property data_handshake;
  @(posedge clk) disable iff (!reset_n)
  req |-> ##[1:3] ack;
endproperty
assert property (data_handshake)
  else $error("Falha no handshake: 'ack' não ocorreu dentro do intervalo especificado após 'req'.");

No exemplo acima:

1. Definimos uma propriedade (data_handshake) que diz: “Sempre que req estiver ativo em uma borda de subidaFlip-Flops e Latches: Tipos: SR, JK, D, T (funcionamento e clock)Aprenda os conceitos de Flip-Flops e Latches, incluindo tipos SR, JK, D e T, além do impacto do clock na sincronização de circuitos digitais. do relógio, então ack deve ficar ativo dentro de 1 a 3 ciclos após req.”

2. O trecho disable iff (!reset_n) indica que a verificaçãoIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital. é desabilitada quando reset_n estiver em nível lógico baixo (reset ativo).

3. O operador |-> designa a relação de implicação. Caso req seja verdadeiro num ciclo, teremos de observar ack dentro de 1 a 3 ciclos.

4. A instrução assert property (data_handshake) efetivamente ativa a monitoração. Caso a propriedade seja violada, é exibida a mensagem de erro.

Quando Usar Concurrent Assertions

• Sequências temporais que exigem o cumprimento de um protocolo.
• ValidaçãoIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital. de handshakes (req/ack).
• Detecção de estados indesejados em máquinas de estado.
• Monitoramento de rótulos de pacotes em transmissões de dados, onde é necessário assegurar ordem ou timing adequados.

Integrando Assertions ao Testbench🔗

A forma de organizar e integrar assertions dentro de um testbenchCriando Testbenches Estruturados: Estratégias de VerificaçãoAprenda a criar testbenches estruturados em SystemVerilog com estratégias de verificação, modularização e boas práticas para designs digitais confiáveis. varia conforme o framework ou metodologia utilizada, mas algumas recomendações gerais são:

• Mantenha as assertions relacionadas a um determinado módulo no próprio escopo desse móduloOrganização de Projeto: Divisão em MódulosAprenda a dividir projetos em módulos com SystemVerilog e descubra como organizar código para garantir clareza, testes facilitados e manutenção ágil. ou em um arquivo de bind.
• Use nomes descritivos para cada property e assert, facilitando a interpretação de mensagens.
• Desabilite as assertions em condições esperadas, como reset ativo ou configurações de teste específicas, para evitar relatórios de falsos erros.

Exemplo de Bind

module top_tb;
  // Instanciação do design e sinais
  dut my_dut (.clk(clk), .reset_n(reset_n), .req(req), .ack(ack));
  // Bloco de ligação de propriedades (bind)
  bind dut data_handshake_prop: data_handshake_mod data_handshake_inst (
      .clk(clk),
      .reset_n(reset_n),
      .req(req),
      .ack(ack)
  );
endmodule : top_tb
module data_handshake_mod(input clk, input reset_n, input req, input ack);
  property handshake_prop;
    @(posedge clk) disable iff (!reset_n)
    req |-> ##[1:3] ack;
  endproperty
  assert property(handshake_prop)
    else $error("Falha no handshake detectada em 'dut'");
endmodule : data_handshake_mod

Nesse fragmento, bind é utilizado para “injuntar” (data_handshake_mod) ao móduloOrganização de Projeto: Divisão em MódulosAprenda a dividir projetos em módulos com SystemVerilog e descubra como organizar código para garantir clareza, testes facilitados e manutenção ágil. dut sem modificar diretamente o código fonte do DUT.

Boas Práticas e Dicas Finais🔗

1. Mantenha as Propriedades Simples: Se possível, quebre propriedades complexas em partes menores para facilitar o debugSimulação e Depuração: Ferramentas e Dicas PráticasAprenda técnicas de simulação e depuração em SystemVerilog, utilizando ferramentas, waveforms, asserts e logs para garantir designs confiáveis..

2. Comente as Assertions: Descreva a intenção de cada assertion para futuras manutenções.

3. Use Ferramentas de SimulaçãoFerramentas de Simulação: Simulação prática: construção e teste de circuitos combinacionaisAprenda a simular circuitos combinacionais com ferramentas como Logisim, Proteus e Multisim. Teste, valide e otimize seus projetos digitais. Confira!: Configure seus scripts para exibir mensagens de assertion claramente no log de simulaçãoSimulação e Depuração: Ferramentas e Dicas PráticasAprenda técnicas de simulação e depuração em SystemVerilog, utilizando ferramentas, waveforms, asserts e logs para garantir designs confiáveis..

4. Reutilização: Propriedades bem escritas podem ser facilmente reaplicadas a designs semelhantes ou evoluir para bibliotecas de verificaçãoIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital..

Conclusão🔗

Assertion-based Verification é uma técnica essencial para verificação em SystemVerilogIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital., pois ajuda a detectar rapidamente violações de propriedades e facilita a depuração. Ao combinar immediate assertions para checagens pontuais com concurrent assertions para validar sequências de eventos, você pode criar um ambiente de teste robusto, capaz de capturar erros logo quando eles ocorrem. Essa abordagem, além de fortalecer a documentação do design, reduz o tempo no ciclo de verificaçãoIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital. e aumenta a confiabilidade do seu projeto.

Com as assertions, é possível extrair o máximo de informações a cada simulaçãoSimulação e Depuração: Ferramentas e Dicas PráticasAprenda técnicas de simulação e depuração em SystemVerilog, utilizando ferramentas, waveforms, asserts e logs para garantir designs confiáveis. e garantir que o design evolua de forma consistente e previsível. Lembre-se sempre de manter o foco nos comportamentos críticos e nas interações que efetivamente impactam a funcionalidade do projeto.