systemverilog--队列学习-程序员充电站

近期在写功能模块的sv-ref_model时，想到使用队列来实现会方便很多，搜索队列的使用会有很多帖子，自己也是在前辈的基础上稍作总结，作为自己的记录，也供后续参考。

一、队列的核心概念

队列是一种大小可动态调整的有序集合，特点如下：

索引访问：支持像数组一样用索引（[0]、[1]…）访问元素，索引从 0 开始，$表示最后一个元素的索引。
高效增删：在队列的头部和尾部添加 / 删除元素的时间复杂度为 O (1)，比动态数组更高效。
存储类型：可以存储基础类型（int、bit、byte、string）或复杂类型（类句柄、结构体）。
声明语法：使用[$]标识，格式为数据类型队列名[$];。

二、队列的基础操作（核心）

下面通过代码示例展示队列的初始化、增删、访问、清空等基础操作，这些是日常使用中最频繁的操作。

1. 声明与初始化

module test_queue; initial begin // 1. 声明空队列 int q1[$]; string q2[$]; // 2. 声明并初始化队列（用{}赋值，元素用逗号分隔） int q3[$] = {10, 20, 30}; // 初始元素：10、20、30 int q4[$] = '{40, 50, 60}; // 也可以用'{}(SystemVerilog推荐写法) // 3. 打印队列（%p是格式化打印复合类型的占位符） $display("q1（空队列）：%p", q1); $display("q3：%p", q3); $finish; end endmodule

输出结果：

q1（空队列）：'{} q3：'{10, 20, 30}

2. 元素的添加（头部 / 尾部）

队列提供了专门的方法用于在头部 / 尾部添加元素，也支持插入到指定位置：

module test_queue; initial begin int q[$] = {1, 2, 3}; $display("初始队列：%p", q); // 1. 尾部添加元素：push_back（最常用） q.push_back(4); // 队列变为：{1,2,3,4} $display("push_back(4)后：%p", q); // 2. 头部添加元素：push_front q.push_front(0); // 队列变为：{0,1,2,3,4} $display("push_front(0)后：%p", q); // 3. 插入到指定索引位置：insert(索引, 元素) q.insert(2, 99); // 在索引2的位置插入99，队列变为：{0,1,99,2,3,4} $display("insert(2,99)后：%p", q); $finish; end endmodule

输出结果：

初始队列：'{1, 2, 3} push_back(4)后：'{1, 2, 3, 4} push_front(0)后：'{0, 1, 2, 3, 4} insert(2,99)后：'{0, 1, 99, 2, 3, 4}

3. 元素的移出/删除（头部 / 尾部 / 指定位置）

module test_queue; initial begin int q[$] = {0, 1, 99, 2, 3, 4}; $display("初始队列：%p", q); // 1. 尾部移出元素：pop_back（返回被移出的元素） int val1 = q.pop_back(); // 删除4，val1=4，队列变为：{0,1,99,2,3} $display("pop_back后：%p，被删除元素：%0d", q, val1); // 2. 头部移出元素：pop_front（返回被移出的元素） int val2 = q.pop_front(); // 删除0，val2=0，队列变为：{1,99,2,3} $display("pop_front后：%p，被删除元素：%0d", q, val2); // 3. 删除指定索引的元素：delete(索引) q.delete(1); // 删除索引1的99，队列变为：{1,2,3} $display("delete(1)后：%p", q); // 4. 清空整个队列：delete()（无参数） q.delete(); // 队列变为空 $display("delete()后（清空队列）：%p", q); $finish; end endmodule

输出结果：

初始队列：'{0, 1, 99, 2, 3, 4} pop_back后：'{0, 1, 99, 2, 3}，被删除元素：4 pop_front后：'{1, 99, 2, 3}，被删除元素：0 delete(1)后：'{1, 2, 3} delete()后（清空队列）：'{}

4. 元素的访问与长度获取

module test_queue; initial begin int q[$] = {10, 20, 30, 40}; // 1. 通过索引访问元素（索引从0开始，$表示最后一个元素） $display("索引0的元素：%0d", q[0]); // 10 $display("最后一个元素（q[$]）：%0d", q[$]); // 40 $display("倒数第二个元素（q[$-1]）：%0d", q[$-1]); // 30 // 2. 获取队列长度：size()方法 $display("队列长度：%0d", q.size()); // 4 // 3. 修改指定索引的元素 q[1] = 200; // 索引1的元素从20改为200 $display("修改后队列：%p", q); // '{10,200,30,40} $finish; end endmodule

输出结果：

索引0的元素：10 最后一个元素（q[$]）：40 倒数第二个元素（q[$-1]）：30 队列长度：4 修改后队列：'{10, 200, 30, 40}

三、队列的高级操作

1. 队列的切片（截取部分元素）

队列支持用[start:end]的切片语法截取指定范围的元素，返回新的队列：

module test_queue; initial begin int q[$] = {1, 2, 3, 4, 5}; // 1. 截取索引1到3的元素（包含1和3） int q_slice1[$] = q[1:3]; $display("q[1:3]：%p", q_slice1); // '{2,3,4} // 2. 截取从索引2到末尾的元素（$表示最后一个索引） int q_slice2[$] = q[2:$]; $display("q[2:$]：%p", q_slice2); // '{3,4,5} // 3. 截取前3个元素（索引0到2） int q_slice3[$] = q[0:2]; $display("q[0:2]：%p", q_slice3); // '{1,2,3} $finish; end endmodule

2. 队列的拼接

使用{}运算符可以将多个队列（或单个元素）拼接成新的队列：

module test_queue; initial begin int q1[$] = {1, 2}; int q2[$] = {3, 4}; // 1. 拼接两个队列 int q3[$] = {q1, q2}; $display("q1+q2：%p", q3); // '{1,2,3,4} // 2. 队列与单个元素拼接 int q4[$] = {q1, 99, q2}; $display("q1+99+q2：%p", q4); // '{1,2,99,3,4} // 3. 队列自身拼接（复制两倍） int q5[$] = {q1, q1}; $display("q1复制两倍：%p", q5); // '{1,2,1,2} $finish; end endmodule

最近在调试ref_model时要实现最邻近插值就用到了队列拼接功能，将一个队列q1复制两次，拼接在原有队列q2后面，实现语句：q2={q2, q1, q1}; 这样的实现是不是很简明？！

3. 队列的遍历（foreach 循环）

使用foreach循环可以遍历队列的所有元素，是处理队列数据的常用方式：

module test_queue; initial begin int q[$] = {10, 20, 30, 40}; $display("遍历队列元素："); foreach (q[i]) begin $display("索引%0d的元素：%0d", i, q[i]); end // 遍历的同时修改元素（比如所有元素乘2） foreach (q[i]) begin q[i] = q[i] * 2; end $display("元素乘2后：%p", q); // '{20,40,60,80} $finish; end endmodule

输出结果：

遍历队列元素： 索引0的元素：10 索引1的元素：20 索引2的元素：30 索引3的元素：40 元素乘2后：'{20, 40, 60, 80}

4. 复杂类型队列（类句柄队列）

队列可以存储类的句柄，常用于验证中存储事务对象（如 AHB/AXI 事务），注意需要使用深拷贝避免浅拷贝问题：

// 定义一个简单的事务类 class Trans; int data; // 深拷贝方法：创建新对象并复制属性 function Trans copy(); copy = new(); copy.data = this.data; endfunction endclass module test_queue; initial begin Trans q[$]; // 声明类句柄队列 Trans t1, t2; // 初始化队列 t1 = new(); t1.data = 100; t2 = new(); t2.data = 200; q.push_back(t1); q.push_back(t2); $display("队列元素值：%0d, %0d", q[0].data, q[1].data); // 100, 200 // 深拷贝：添加新对象到队列（避免浅拷贝） q.push_back(t1.copy()); q[2].data = 999; // 修改新对象，原对象不受影响 $display("修改后：%0d（原对象），%0d（新对象）", t1.data, q[2].data); // 100, 999 $finish; end endmodule

输出结果：

队列元素值：100, 200 修改后：100（原对象），999（新对象）

队列的类型可以是常用的int、bit、byte、logic等，也可以是自定义的类型，那么队列中的每个元素都是一个自定义的变量。

四、队列的常用场景（验证中）

事务存储：测试平台中存储生成的激励事务、监测到的总线事务（如 AHB/AXI 的读写事务）。
数据缓冲：在驱动器（Driver）和监视器（Monitor）中缓冲数据，实现异步数据处理。
动态数据处理：需要频繁添加 / 删除元素的场景（如过滤无效事务、排序事务）。

五、总结

队列的核心特性：SystemVerilog 队列是动态有序集合，支持索引访问，头部 / 尾部增删元素效率高，声明用[$]。

常用基础操作：

操作/方法	说明
添加	push_back() ：尾部添加 push_front() ：头部添加
移出	pop_back() ：尾部移出 pop_front() ：头部移出
清空	delete() ：删除整个队列 delete(n) ：删除指定位置的元素
长度	size() ：整个队列内元素个数

高级操作：支持切片[start:end]、拼接{}、foreach遍历，可存储基础类型和复杂类型（类句柄需深拷贝）。
应用场景：主要用于验证中的事务存储、数据缓冲和动态数据处理，是 Testbench 编写的核心数据类型之一。