Verilog的随机数系统任务----$random_verilog random

目录

        概述

        $random与$random()

        $random(seed)

        常用用法

        总结与参考

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概述

        在做仿真的时候，难免会需要一些数据作为输入。有的时候对输入数据没什么要求，随便什么样的数据都行。这种情况下有两种办法：

• 随便编写一些数据，但数据量一大麻烦不说，还费脑子
• 使用Verilog提供的随机数生成系统任务$random来帮助生成大量的随机数，一个系统任务统统搞定！

        $random 是Verilog提供的一个随机数生成系统任务，调用该任务后，将会返回一个32bit的integer类型的有符号的值。其调用格式有3种：

• $random;
• $random();
• $random(seed);

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$random与$random()

        $random与$random()用起来方法和结果都是一样的，可以写一个小TB测试一下：

`timescale 1ns / 1ns
 
module random_test();
 
reg [31:0] rand_data;		//定义一个32位数据
 
//每10ns产生一个随机数
initial begin
	rand_data = 0;
	repeat(5) begin
		#10 rand_data = $random;
	end
	#5 $finish;
end	
 
endmodule

       

        上面的TB文件要做的事很简单：每隔10ns生成一个随机数，重复5次。其结果如下：

        可以看到生成了5个32bit 的随机数，有整数也有负数。

        接下来我们把上面的TB中的系统任务 $random替换成$random()的，其他不变，再看看仿真结果：

         和之前的结果是一致的，这说明$random替换成$random()其实用起来效果是一样的，所以我们一般都用$random。

       

        $random的返回值是一个32位的整数，但是有时不见得需要这么大的数。如果希望随机数的值能固定在某个范围，那么可以这么使用：$random%b；那么生成的随机数的范围就是   [ ( -b+1 ) : (b- 1 ) ]。 这其实就是对b取余，那可不就是把范围给框住了嘛！

        同样的，用上面的TB测试一下，同时多生成几个随机数方便对比（除数用10，生成范围[-9：9])：

`timescale 1ns / 1ns
 
module random_test();
 
reg [31:0] rand_data;		//定义一个32位数据
 
//每10ns产生一个随机数
initial begin
	rand_data = 0;
	repeat(10) begin
		#10 rand_data = $random%10;
	end
	#5 $finish;
end	
 
endmodule

                

        其结果如下：

         生成的值都在范围[-9：9]内（注意有几个重复的）。

        此外，如果我们希望只生成正数范围内的随机数，那么可以这么使用：{$random}%b；那么生成的随机数的范围就是   [ 0 : (b - 1 ) ]。

        还是用上面的TB测试下正数范围的随机数生成结果【0:9】的效果。看下仿真结果：

         嗯很好，结果已经全是【0:9】范围内的数了。

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$random(seed)

        先别说其他的，直接用modelsim仿真一下下面的模块：生成10次【0:9】范围内的随机数：

`timescale 1ns / 1ns
 
module random_test();
 
reg [31:0] rand_data;		//定义一个32位数据
 
//每10ns产生一个随机数
initial begin
	rand_data = 0;
	repeat(10) begin
		#10 rand_data = {$random}%10;
	end
	#5 $finish;
end	
 
endmodule

        把结果记录下来：

        然后把modelsim关了（甚至可以把电脑重启一下），喝杯卡布奇诺休息5分钟，刷刷哔哩哔哩、摸摸鱼。

        

        然后重新打开modelsim，对上面的模块重新进行仿真，再把结果记录下来：

        咦？奇怪？怎么两次仿真结果是一样的呢？说好的随机数生成函数呢？这他喵的也不随机啊？

        实际上，$random并不是一个真正意义上的随机数生成函数，如果我们每次仿真调用它的时间一致其实是种子seed一致，那么其生成的随机数就是一致的。

        在上面的仿真中，我们省略了seed种子这一参数，由仿真工具默认生成，而仿真工具生成种子是根据仿真时间来定的。所以在我们每次进行仿真时，其实在同一时刻都是在调用相同的seed，所以仿真结果一致也不奇怪了。

        忘了说，$random中的seed数据类型可以是reg，integer或者time。

        接下来，我们改一下TB，加上seed：

`timescale 1ns / 1ns
 
module random_test();
 
reg [31:0] rand_data;		//定义一个32位数据
 
//每10ns产生一个随机数
initial begin
	rand_data = 0;
	repeat(10) begin
		#10 rand_data = {$random(1)}%100;
	end
	#5 $finish;
end	
 
endmodule

        

        第1次我们用 1作为seed，看看结果：

        由于每次都使用1作为seed，所以10次生成的随机数都是68（0是初始值，不是随机生成的）。

        把seed改成10，结果如下：

        由于每次都使用10作为seed，所以10次生成的随机数都是48（0是初始值，不是随机生成的）。

        所以，如果您希望每次仿真都有最好的随机性，那么最好都每次都改一下seed。

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常用用法

        平常的仿真中调用随机数生成函数的常用用法是：

输入 data_in，位宽【a-1:0】，即位宽a，其值范围2^a，Verilog语法即2**a；                //2**a表示2的a次方。

所以如果需要模拟data_in的随机输入，通常这样调用：data_in = {$random}%(2**a);       

        比如：

input [3:0]        data_in；                //其值范围为2进制0000~1111（即十进制0-15），

data_in = {$random}%(2**4)；       //即data_in = {$random}%16)，生成的随机数范围为0-15，完美覆盖输入数据的全部范围。

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总结与参考

• $random与$random()的用法、结果都是一致的
• $random%b可以生成范围 [ ( -b+1 ) : (b- 1 ) ]内的随机数
• {$random}%b可以生成范围 [ 0: (b- 1 ) ]内的随机数

        参考资料1：IEEE Standard for Verilog® Hardware Description Language（IEEE Std 1364™-2005）

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