rand和randc

在SystemVerilog中，rand和randc都用于随机化变量，但它们的随机行为和使用场景有本质区别：

rand示例（允许重复）

class A;
  rand bit [1:0] x; // 可能重复：0,1,2,3,0,1...
endclass

每次随机化，x可能是0-3中的任意值，可能连续多次相同。

randc示例（不重复）

class B;
  randc bit [1:0] y; // 0,1,2,3的某种排列
endclass

在4次随机化内，y会依次出现0,1,2,3各一次（顺序随机）
第5次随机化时，重新生成新的排列周期。

constraint实现randc

在SystemVerilog里，randc 的“不重复循环”特性是用一个 周期性排列器（permutation engine） 实现的，而这个引擎在 LRM 里并没有公开。我们只能在 “用户空间” 用 rand + constraint 去模仿它的行为。

以下分享两种方法来实现：

1.洗牌法

思路：
预先申请一块 queue（或数组）存放 [0:N-1]；
第一次或每次用完后原地洗牌；
每次随机化只取 queue.pop_front()，用完再洗。

class shuffle_randc #(int N = 8);
  rand int unsigned v;          // 外部看到的值
  int unsigned q[$];            // 内部队列

  // 初始化队列
  function new();
    for (int i=0; i<N; i++) q.push_back(i);
  endfunction

  // 洗牌
  function void shuffle(ref int unsigned q[$]);
    for (int i = q.size()-1; i>0; i--) begin
      int j = $urandom_range(i,0);
      {q[i],q[j]} = {q[j],q[i]};
    end
  endfunction

  // 约束：v 必须等于队列头
  constraint pick {
    q.size() > 0 -> v == q[0];
  }

  // 取完值后把队列头弹掉，空了就再洗
  function void post_randomize();
    void'(q.pop_front());
    if (q.size()==0) begin
      for (int i=0; i<N; i++) q.push_back(i);
      shuffle(q);
    end
  endfunction
endclass

优点：代码短，易理解，真正的均匀排列。
缺点：需要额外存储 N 个元素；若 N 很大会占内存。

2.标记位数组法

思路：
用 bit used[N] 记录哪些值已出现过；
每次随机化时，在未使用的值里随机挑一个；
满一轮后清零 used，重新开始。

class bitmap_randc #(int N = 8);
  rand int unsigned v;
  bit used[N];

  constraint pick_unused {
    !used[v];
  }

  function void post_randomize();
    used[v] = 1;
    if (used.and() with (item)) begin   // 本轮已全用掉
      used = '{default:0};              // 清零
    end
  endfunction
endclass

优点：内存固定为 N bit，与 N 大小无关；
缺点：约束求解器每次要排除已用的值，大 N 时性能下降（稀疏域问题）。