Code Coverage：FSM

第 1 章那份模拟报告里写的是 FSM Coverage: 50.0% (2/4 states, 3/6 transitions)。这一章把这一对数字讲精确——把这个项目已经很熟悉的逻辑——axil_regfile 的 aw_have/w_have 锁存行为（uvm-advanced 第 1 章，也正是第 4 章发现从来没有翻转过的那两个信号）——明确地重新表述成一个小型有限状态机，给出命名的状态和它们之间命名的弧线。

给状态命名

aw_have 和 w_have 是两个独立的 bit，但合在一起定义了一个状态：一次写操作里，如果有哪一边已经先到了，正在等另一边——是哪一边。理论上存在四种组合：

• IDLE（aw_have=0, w_have=0）——什么都没锁存；在等 AW、W，或者两者一起。
• AW_ONLY（aw_have=1, w_have=0）——AW 到了并被锁存了；还在等 W。
• W_ONLY（aw_have=0, w_have=1）——W 到了并被锁存了；还在等 AW。
• BOTH_LATCHED（aw_have=1, w_have=1）——两边同时被锁存。

有意义的转移一共五个：IDLE→AW_ONLY（AW 单独到达）、IDLE→W_ONLY（W 单独到达）、IDLE→IDLE（两者一起到达，write_fire 直接触发，什么都不需要锁存）、AW_ONLY→IDLE（等待中的 W 终于到了）、W_ONLY→IDLE（等待中的 AW 终于到了）。

一个根本不可能存在的状态

BOTH_LATCHED 不在上面这份转移清单里，这不是漏写——RTL 让它在结构上根本不可能到达,这一点可以直接从它自己的逻辑（uvm-advanced 第 1 章）里证明出来：

assign write_fire = (aw_have || aw_fire) && (w_have || w_fire) && !s_axi_bvalid;
...
if (aw_fire && !write_fire) begin aw_addr_q <= s_axi_awaddr; aw_have <= 1'b1; end
if (w_fire  && !write_fire) begin w_data_q <= s_axi_wdata;   w_have <= 1'b1; end

假设 w_have 已经是 1（处在 W_ONLY 状态），然后 aw_fire 到达了。write_fire 的第二项 (w_have || w_fire) 这时已经是真的了——所以 write_fire 在同一个周期里、纯组合逻辑地就变成了高电平。这就让 aw_fire && !write_fire 变成假，于是 aw_have <= 1'b1 根本不会执行。反过来的情况（aw_have 已经是 1，然后 w_fire 到达）也是同样的道理被挡住。不存在任何一种事件顺序能让这两个 bit 同时都变成 1——一次写操作的第二边一出现，write_fire 就立刻触发，整件事在那一个周期里就解决了，根本不会走到两边都被锁存的地步。

这正是第 2 章 illegal_bins 概念在 FSM coverage 里的对应物：一个真实的覆盖率工具会把它整个从分母里排除掉，或者哪怕真的观察到它也会报一个错误——而不是当成一个需要补上的缺口，因为补上它就意味着真的有什么东西坏了。

State Coverage

FSM State Coverage Report -- axil_regfile.sv (aw_have/w_have)
================================================================
State           (aw_have, w_have)   Hits   Status
--------------  ------------------  ----  --------------------------
IDLE            (0, 0)                 7  covered
AW_ONLY         (1, 0)                 0  NOT COVERED
W_ONLY          (0, 1)                 0  NOT COVERED
BOTH_LATCHED    (1, 1)                 -  excluded -- structurally unreachable

IDLE 在复位时被访问一次，之后第 1 章那六次写操作每完成一次也会回到这个状态。AW_ONLY 和 W_ONLY 都停在零——原因跟第 4 章发现 aw_have/w_have 从来没有翻转过一模一样：这个项目的测试历史里，从来没有哪一次让 AW 和 W 分别在不同的周期到达过。

Transition Coverage

单看 state coverage 分不清"访问了 IDLE 七次，每次都走同一条路"和"访问了 IDLE 七次，走了好几条不同的路"这两种情况。Transition coverage 能分清：

FSM Transition Coverage Report -- axil_regfile.sv (aw_have/w_have)
======================================================================
Transition            Hits   Status
---------------------  ----  ---------------------------------------
IDLE -> IDLE              6  covered  (AW and W arrive together)
IDLE -> AW_ONLY            0  NOT COVERED
IDLE -> W_ONLY             0  NOT COVERED
AW_ONLY -> IDLE            0  NOT COVERED
W_ONLY -> IDLE             0  NOT COVERED

这个项目的六次写操作，走的都是完全同一条弧线：IDLE→IDLE，一个自环——aw_fire 和 w_fire 同一个周期一起落地的瞬间，write_fire 就触发了，两个 bit 都不需要锁存。AW_ONLY/W_ONLY 的 state 命中数为零已经说明了问题，但 transition 报告说得更具体：不只是这两个状态没被访问过，真正跟它们有关的全部四条弧线——不管是进入还是离开——也都没被走过。一个设计理论上完全可能把每个状态都至少访问一次，却依然从来没有走过两个状态之间某一条特定的弧线；这个 DUT 的报告恰好同时暴露了两种失败，原因是同一个，但它们本来问的是两个不同的问题。

同一个缺口，被三种不同的方式找到

aw_have/w_have 的 toggle coverage 是 0%（第 4 章），AW_ONLY/W_ONLY 的 state 命中数是 0，五条转移里有四条从没走过——这是三份独立的覆盖率报告，指向同一个底层事实：这个项目发出过的每一次写，AW 和 W 都是一起到达的，所以专门为处理它们分开到达而写的那部分逻辑，一次都没有真正跑过。这种殊途同归不是冗余——toggle coverage 问的是一个 bit 的值有没有动过，state coverage 问的是一个命名的条件有没有为真过，transition coverage 问的是两个命名条件之间某一次具体的变化有没有发生过。三个不同的问题，被同一个真实的缺口都回答了"没有"，这是单独任何一个指标都说不清楚的三个角度。

关于验证可行性的提醒

跟这个模块其他章节一样的限制：Icarus Verilog 完全没有 FSM coverage 统计功能（第 1 章说过，这本来就是商业工具才有的特性），所以上面这些报告是示意性的——是靠追踪 write_fire 真实的逻辑和这个项目真实的写操作历史推导出来的，不是工具跑出来的。一个商业级仿真器会直接从 aw_have/w_have 的用法里推断出这个状态机,并自动针对它生成报告。

小结

• FSM coverage 把一个设计的控制状态重新表述成命名的状态、以及它们之间命名的转移——这里，aw_have/w_have 变成了一个有 4 个状态（IDLE、AW_ONLY、W_ONLY、BOTH_LATCHED）、5 条真实转移的状态机。
• 有些状态在结构上就不可达，不只是没测过而已。BOTH_LATCHED 从 write_fire 自己的定义就能证明是不可能的——这是第 2 章 illegal_bins 概念在 FSM coverage 里的对应物：从目标里排除掉，而不是一个需要补上的缺口。
• State coverage（这个状态有没有被进入过）和 transition coverage（这条具体的弧线有没有被走过）问的是两个不同的问题——一个设计完全可能访问了每一个状态，却从来没走过它们之间某一条特定的弧线。
• AW_ONLY/W_ONLY 以及跟它们相关的四条转移全都是零，原因跟第 4 章的 toggle 报告已经找到的一模一样：这个项目发出过的每一次写，AW 和 W 都在同一个周期到达。
• 同一个真实的缺口在 toggle、state、transition coverage 里都现身，这不是冗余——每一个指标问的都是真正不同的问题，三个独立的角度都给出同样的答案，比单独任何一个指标都更有说服力。