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【优秀文章评选活动】静态对象中的随机函数特性（三）
专栏：IC技术圈官方 June 29, 2024, 3:38 p.m. 130 阅读
在静态对象内构建可控随机方案二
作者简介
尼德兰的喵，数字芯片前端，ai与智驾赛道打工人。常年在csdn、知乎、稀土掘 金、博客园、github、gitee等各大论坛与社区打地铺久住，公众号“芯时代青年”。

在静态对象内构建可控随机方案二

讨论另外一种方案，为啥有方案了还要尝试其他的方案呢？我自己对$random 这个函数相当的不信任，这个函数不受 seed 控制到低随机时候从哪找的种子我也不太清楚，万一跟地域、时间、服务器、工具等特性有关系，环境一迁移导致随机无法复现怎么办呢。所以我希望有一种原理明明白白的可控随机方案，当然这里并不是说$random+$urandom 不能用哈，实际上我知道的很多地方就是直接用这个的。

原理明明白白的可控随机方案怎么来呢？既然不信任$random 那必然是从$urandom 入手看了，还记得$random 的问题是啥来着吧？不能感知静态模块的不同例化路径差异。那么让他感知一下例化路径差异不就好了嘛，怎么感知这个事，相信大家对这个字符都很熟悉：%m，对就是在打印里用的那个字符。这个字符的作用是打印当前模块（或独立命名域）的例化路径，打印里的前半部分就是靠这个打印出来的：

$display("%m new_rand_value = 'h%0h", new_rand_value);
----->
testbench.u_rand_test1 new_rand_value = 'hd7

也就是说，一个静态模块自身只要例化在了 DUT 中，那么我们就能够获取到其例化路径，以字符串的方式我们来获取以下路径：

string path_str;
initial begin
 path_str = $psprintf(path_str, "%m");
 $display("inst path is %s", path_str);
end

对应的打印结果是：

inst path is testbench.u_rand_test0
inst path is testbench.u_rand_test1

好的那么也就是说，虽然$urandom 不能感知例化路径，但是模块自身能够感知，因此只要把这个路径引入到$urandom 中去就可以了。这时有人可能就要问了，%m 是字符串，$urandom 的种子是数字啊，这要怎么引进去呢？年轻了不是，谁说%m 就一定是字符串了：

string path_str;
int path_int;
initial begin
 path_str = $psprintf(path_str, "%m");
path_int = path_str;
 $display("inst path is %s, path_int = 'h%0h", path_str, 
path_int);
end
----->
inst path is testbench.u_rand_test0, path_int = 'h65737430
inst path is testbench.u_rand_test1, path_int = 'h65737431

你看根据例化路径得到的数字这不就出来了嘛，不过仔细观察一下会发现，这路径差异比较近，得出的数字差异也太小了，这个数给到$urandom 里去随机出来的值别在差不多那就不好了。所以直接把这个值给$urandom 肯定不行，那么怎么和$urandom 结合使用能够起到作用呢？下面是我选择一种方式：

string path_str;
int path_int;
initial begin
 path_str = $psprintf(path_str, "%m");
 path_int = $urandom();
for(int i=path_str.len; i>=0; i=i-1)begin
 path_int = path_int ^ path_str.getc(i);
 path_int = $urandom(path_int);
 end
 path_int = $abs(path_int);
 $display("inst path is %s, path_int = 'h%0h", path_str, path_int);
end

具体解释一下这些代码，先把 path_int 通过$urandom 给一个初始随机值，不同模块是一样的没关系，这个值结合后面路径的微小差异就可以成就“蝴蝶效应”。之后从尾部到头部路径字符，因为差异集中在尾部所以要从尾部开始，str.getc(i)获取字符串对应位置字符的ASCII 码，再跟 path_int 取异或，累计扩大差异性，而后再加入一个$urandom 进一步扩大差异性。循环之后得到了扩大差异之后的数，此时最后的结果可能是负数，这不是我们所需要的因此通过$abs 函数全部取正。

经过这些操作后，咱们来看下进行随机后的结果：

inst path is testbench.u_rand_test0, path_int = 'h66b884a6
inst path is testbench.u_rand_test1, path_int = 'h49aee46

多测试几个种子：

inst path is testbench.u_rand_test0, path_int = 'h21669974
inst path is testbench.u_rand_test1, path_int = 'h19e00dfa
tc seed = 62302096
inst path is testbench.u_rand_test0, path_int = 'h19bc271c
inst path is testbench.u_rand_test1, path_int = 'h7eef9304
tc seed = 81054216
inst path is testbench.u_rand_test0, path_int = 'h268220ce
inst path is testbench.u_rand_test1, path_int = 'h44c8d731
tc seed = 53991314

对其中的一个种子结果进行复现：

inst path is testbench.u_rand_test0, path_int = 'h21669974
inst path is testbench.u_rand_test1, path_int = 'h19e00dfa
tc seed = 62302096

稳定复现，那么这种方法显然是符合我们预期的。其实后来我想了下，如果想扩大差异，是不是多嵌套几个$urandom 就可以了，比如$urandom($urandom($urandom($urandom(path_int))))，于是试了试：

string path_str;
int path_int;
initial begin
 path_str = $psprintf(path_str, "%m");
 path_int = path_str;
 path_int = 
$urandom($urandom($urandom($urandom(path_int))));
 $display("inst path is %s, path_int = 'h%0h", path_str, path_int);
end
inst path is testbench.u_rand_test0, path_int = 'h6a6ed13
inst path is testbench.u_rand_test1, path_int = 'h86b6f7a1
tc seed = 0
inst path is testbench.u_rand_test0, path_int = 'h6a6ed13
inst path is testbench.u_rand_test1, path_int = 'h86b6f7a1
tc seed = 38445033

emmm 果然是不行，所以还是用上面提供的方法吧。那么下一个问题就来了，这么用起来呢，总不能每次需要随机时候都写这么一大片的代码吧？

答案也很简单，封装成一个函数不就好了嘛：

string path_str;
initial path_str = $psprintf(path_str, "%m");
function integer urandom;
 integer seed, i;
 begin
 seed = $urandom();
 for(i=path_str.len; i>=0; i=i-1)begin
 seed = seed ^ path_str.getc(i);
 seed = $urandom(seed);
 end
 urandom = $abs(seed);
 end
endfunction
initial begin
 int rand_test;
 rand_test = urandom();
 $display("%m, rand_test = %0d", rand_test);
end

测试一下结果：

testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0, rand_test = 
1641770003
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0, rand_test = 621788312
tc name = sanity
tc seed = 59908161
testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0, rand_test = 
1271321994
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0, rand_test = 588367474
tc name = sanity
tc seed = 73017818
testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0, rand_test = 97687901
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0, rand_test = 704389240
tc name = sanity
tc seed = 75798405

看起来是没有什么问题的。那么继续往下探索，即使封装为函数了，难不成每个要进行随机的模块里面都写一次这个函数吗？当然是不需要的，有两种思路可以处理这个问题，一是将函数定义为全局可见的方法，而 path_str 作为作为函数的输入，这样调用时传参本模块的path_str 就可以了。第二种思路是进行宏封装，我选择的是第二种思路因为我确实不喜欢在 RTL 里有太多冗余的代码。

在宏定义文件中做宏：

`define module_urandom_define \
string path_str; \
initial path_str = $psprintf(path_str, "%m"); \
\
function integer urandom; \
 integer seed, i; \
 begin \
 seed = $urandom(); \
 for(i=path_str.len; i>=0; i=i-1)begin \
 seed = seed ^ path_str.getc(i); \
 seed = $urandom(seed); \
 end \
 urandom = $abs(seed); \
 end \
endfunction

而后在需要进行随机的模块里 RTL 前面的地方找个犄角旮旯写一下宏，后面就可以：

`module_urandom_define
initial begin
 int rand_test;
 rand_test = urandom();
 $display("%m test1, rand_test = %0d", rand_test);
 rand_test = urandom();
 $display("%m test2, rand_test = %0d", rand_test);
end

然后就可以使用下看看了：

testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0 test1, rand_test = 
1970541737
testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0 test2, rand_test = 
128592474
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0 test1, rand_test = 
849448805
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0 test2, rand_test = 
1978420876
tc name = sanity
tc seed = 17411917
testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0 test1, rand_test = 
887806234
testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0 test2, rand_test = 
216253277
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0 test1, rand_test = 
1150158848
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0 test2, rand_test = 
1381425996
tc name = sanity
tc seed = 50449658
testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0 test1, rand_test = 
439486355
testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0 test2, rand_test = 
1519906787
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0 test1, rand_test = 
219267827
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0 test2, rand_test = 
133804852
tc name = sanity
tc seed = 64935128

事情到这里基本就已经解决了，我们以自定义的 urandom()函数平替了系统的$urandom()函数，达到了在静态模块中等价于$urandom()的可控和差异化随机功能。最后再来拓展实现另外一个功能，我们想随机一个数值那是不是经常会使用$urandom_range()，可是在静态模块中怎么做到这一点呢？也很简单，加一个宏不就可以了：

function integer urandom_range(); \
 input integer min, max; \
 integer seed, i; \
 begin \
 seed = $urandom(); \
 for(i=path_str.len; i>=0; i=i-1)begin \
 seed = seed ^ path_str.getc(i); \
 seed = $urandom(seed); \
 end \
 urandom_range = min + $abs(seed % (max - min)); \
 end \
endfunction

测试一下：

initial begin
 int rand_test;
 rand_test = urandom_range(0,100);
 $display("%m test1, rand_test = %0d", rand_test);
 rand_test = urandom_range(100,1000);
 $display("%m test2, rand_test = %0d", rand_test);
end

打印结果为：

testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0 test1, rand_test = 75
testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0 test2, rand_test = 892
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0 test1, rand_test = 71
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0 test2, rand_test = 461
tc name = sanity
tc seed = 16870716
testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0 test1, rand_test = 63
testbench.u_rand_test0.unnamed$$_0 test2, rand_test = 944
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0 test1, rand_test = 54
testbench.u_rand_test1.unnamed$$_0 test2, rand_test = 172
tc name = sanity
tc seed = 47491380
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