设计模式在芯片验证中的应用——模板方法

01、模板模式

模板方法(Template Method)模式是一种行为设计模式， 它在父类中定义了一个功能的框架， 允许子类在不修改结构的情况下重写功能的特定步骤。也就是模板方法定义了一组有序执行的操作，将一些步骤的实现留给子类，同时保持整体功能结构。该技术通常也用于为主要操作提供预处理和后处理的钩子(hook)。

UVM库用了很多模板方法，比如uvm_sequence里的pre_body()和post_body()就是body()方法的钩子，在分别允许用户在body()执行之前和之后做一些其它处理。

模板方法设计模式主要包括以下几个组件：

抽象类 （Abstract­Class）：会声明完成一个功能所需各个步骤的方法， 以及依次调用它们实际步骤。功能步骤可以被声明为抽象类型， 也可以提供一些默认实现。另外也可以提供一些放在主要功能步骤之前或之后的可选步骤方法(钩子)，这些方法为子类提供额外的功能扩展点。

具体类 （Concrete­Class）：可以重写所有步骤实现， 但不能重写模板方法自身执行各个步骤方法的顺序。

我们以UVM中的monitor来举个模板方法应用的例子，利用模板方法可以扩展monitor主要功能，而且不容易误破坏monitor主功能。在base monitor组件中定义了非virtual的collect_transactions()模板方法，并提供了空的pre_collect()和post_ collect ()钩子方法。在继承的子monitor中，通过实现pre_ collect ()和post_ collect ()的具体内容，来提供了特定项目需求的操作。然后使用UVM factory方法将子monitor的对象去替换base monitor的对象。

下图为模板方法设计模式在monitor中应用的UML类图。

02、参考代码

monitor的模板方法设计模式参考代码如下：

class base_monitor extends uvm_monitor;
    `uvm_component_utils (base_monitor)        function new(string name = "base_monitor", uvm_component parent=null);        super.new(name, parent);    endfunction : new        task collect_transactions();        pre_collect();        collect();        post_collect();    endtask : collect_transactions
    virtual task pre_collect();        `uvm_info("PRE_COLLECT", "EMPTY method", UVM_LOW)    endtask : pre_collect
    task collect();        `uvm_info("COLLECT", "collect begin", UVM_LOW)        `uvm_info("COLLECT", "collect end", UVM_LOW)    endtask : collect
    virtual task post_collect();        `uvm_info("POST_COLLECT", "EMPTY method", UVM_LOW)    endtask : post_collect    endclass : base_monitor

模板方法设计模式-具有空钩子的base monitor

class son_monitor extends base_monitor;
    `uvm_component_utils (son_monitor)        function new(string name = "son_monitor", uvm_component parent=null);        super.new(name, parent);    endfunction : new        virtual task pre_collect();        `uvm_info("PRE_COLLECT", "PRE: collect item", UVM_LOW)    endtask : pre_collect        virtual task post_collect();        `uvm_info("POST_COLLECT", "POST: collect item", UVM_LOW)    endtask : post_collect    endclass : son_monitor

模板方法设计模式-带有实现钩子的son monitor

模拟测试代码如下：

// Use UVM factory overrde in the uvm_envset_type_override_by_type(base_monitor::get_type(), son_monitor::get_type(), 'b0);

输出仿真日志如下：

 | # UVM_INFO  @ 0.000ns: uvm_test_top.env.agent.mon_h [PRE_COLLECT] EMPTY method | # UVM_INFO  @ 0.000ns: uvm_test_top.env.agent.mon_h [COLLECT] collect begin | # UVM_INFO  @ 0.000ns: uvm_test_top.env.agent.mon_h [COLLECT] collect end | # UVM_INFO  @ 0.000ns: uvm_test_top.env.agent.mon_h [POST_COLLECT] EMPTY method

模板方法设计模式-带有空钩子的base monitor的输出结果

 | # UVM_INFO  @ 0.000ns: uvm_test_top.env.agent.mon_h [PRE_COLLECT] PRE: collect item | # UVM_INFO  @ 0.000ns: uvm_test_top.env.agent.mon_h [COLLECT] collect begin | # UVM_INFO  @ 0.000ns: uvm_test_top.env.agent.mon_h [COLLECT] collect end | # UVM_INFO  @ 0.000ns: uvm_test_top.env.agent.mon_h [POST_COLLECT] POST: collect item

模板方法设计模式-带有实现钩子的子monitor的输出结果

输出仿真文件显示了模板方法模式的效果。在前者中，消息由具有空pre_collect()和post_collect()钩子的base monitor生成。在后一种情况下，将使用子monitor的实例，并使用已实现的钩子，这些钩子可用于特定于项目的处理，且无需修改base monitor的代码。子monitor主要的collect()方法继承自base monitor，因此两种情况下保持一致。模板方法collect_transactions()确保钩子会在主函数collect()之前和之后合适的地方被调用了。

模板方法的通常使用方式就是定义一个基本的抽象类，并且指定哪些抽象方法需要再子类中实现。模板方法的主要缺点就是，如果父类和子类都实现了复杂的功能，调试起来将非常麻烦。