硬件描述语言 Chisel 入门教程

硬件描述语言 Chisel 入门教程

目录

1. Chisel简介
2. 安装Chisel环境

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Chisel简介

Chisel是一个Scala库，用于构建高级别的、可综合的、模块化的硬件设计。它允许设计师在高层次上定义硬件的行为，然后通过一系列的转换步骤将其转换为低层次的Verilog或VHDL代码。这使得设计师可以专注于实现硬件的功能，而不需要关心底层的细节。

Chisel的主要特点包括：

• 高级抽象：使用Scala的高级别抽象来描述硬件行为。
• 可综合：生成的Verilog或VHDL代码可以直接用于ASIC或FPGA的设计。
• 模块化：可以将设计分解为多个独立的模块，每个模块都可以独立地进行测试和验证。
• 交互式开发：可以在Scala REPL中直接运行Chisel代码，以便于调试和验证。

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安装Chisel环境

要开始使用Chisel，首先需要安装Scala和sbt（Simple Build Tool）。以下是在Ubuntu系统上安装Chisel环境的步骤：

1. 安装Java Development Kit (JDK) 8或更高版本。可以使用以下命令进行安装：

sudo apt-get update
sudo apt-get install openjdk-8-jdk

2. 安装sbt。可以使用以下命令进行安装：

echo "deb https://dl.bintray.com/sbt/debian /" | sudo tee -a /etc/apt/sources.list.d/sbt.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install sbt

3. 安装Chisel。可以使用以下命令进行安装：

echo "addSbtPlugin("io.github.chipsalliance" % "chisel3" % "3.4.3")" | sbt -- new file > build.sbt

4. 创建一个新的Chisel项目。可以使用以下命令进行创建：

sbt new chisel3.examples.HelloWorld --compiler=firrtl --backend-name verilator --main-class examples.HelloWorld --copy-resources

5. 进入项目目录并编译项目。可以使用以下命令进行编译：

cd helloworld && sbt "runMain examples.HelloWorld"

现在，你已经成功安装了Chisel环境，并创建了一个简单的HelloWorld项目。接下来，你可以开始学习如何使用Chisel编写硬件设计了。

硬件描述语言 Chisel 入门教程

本教程将介绍硬件描述语言 Chisel 的基本语法和如何构建 Chisel 项目。

基础语法

Chisel 是一种基于 Scala 的硬件描述语言，用于设计和实现可重用的硬件组件。以下是一些基本的 Chisel 语法：

定义数据类型

在 Chisel 中，可以使用 typedef 关键字定义新的数据类型。例如，定义一个名为 MyData 的数据类型：

import chisel3._

class MyData extends Bundle {
  val data = UInt(8.W)
}

定义模块

使用 module 关键字定义一个新的 Chisel 模块。例如，定义一个名为 MyModule 的模块：

import chisel3._
import MyData

class MyModule extends Module {
  val io = IO(new MyData)
  // ...
}

实例化模块

在 Chisel 中，可以使用 withClock() 方法为模块添加时钟信号。例如，实例化一个名为 myInstance 的 MyModule：

import chisel3._
import MyData
import MyModule

val myInstance = Module(new MyModule()).withClock(io.clock)

构建 Chisel 项目

要构建一个 Chisel 项目，需要遵循以下步骤：

1. 安装 Chisel：首先需要安装 Chisel，可以通过以下命令安装：

   sbt install # for Linux/macOS users, or...
   gradlew install # for Windows users, or...
   

2. 创建一个新的 Chisel 项目：可以使用 sbt new 或 gradle init 命令创建一个新的 Chisel 项目。例如，使用 sbt new 命令创建一个名为 myProject 的新项目：

   sbt new myProject/helloworld.g8 # replace "myProject" with your desired project name, and "helloworld" with your desired template name.
   

3. 编写 Chisel 代码：在项目中编写 Chisel 代码，并保存到相应的文件中。例如，在 src/main/scala/myProject/HelloWorld.scala 文件中编写以下代码：

   import chisel3._
   import chisel3.util._ // optional: import the necessary libraries from chisel3-util package, e.g., for Verilog generation.
   // ... define your Chisel modules here ...
   

4. 编译和运行项目：使用 sbt run 或 gradle run 命令编译和运行项目。例如，使用 sbt run 命令编译和运行项目：

   sbt run # on Linux/macOS users, or...
   gradlew run # on Windows users, or...
   

模块定义与使用

在硬件描述语言 Chisel 中，模块是构建电路的基本单位。一个模块可以包含一系列的输入输出端口、内部信号以及用于描述电路行为的函数。要创建一个模块，需要继承 chisel3.Module 类并重写其 build() 方法。以下是一个简单的模块定义示例：

import chisel3._

class MyModule extends Module {
  val io = IO(new Bundle {
    val in = Input(UInt(8.W))
    val out = Output(UInt(8.W))
  })

  io.out := io.in + 1.U
}

在这个示例中，我们定义了一个名为 MyModule 的模块，它有一个 8 位无符号整数输入端口 in，一个 8 位无符号整数输出端口 out，以及一个内部信号 out。build() 方法中的代码将 in 端口的值加 1，然后将结果赋值给 out 端口。

接下来，我们需要将这个模块实例化到硬件上。这可以通过创建一个新的 Chisel 工程并添加上述模块定义来实现。以下是一个简单的 Chisel 工程结构：

my_project/
|-- src/
|   |-- main/
|   |   |-- resources/
|   |-- test/
|-- build.sbt
|-- project/

在 src/main/resources 目录下创建一个名为 MyModule.scala 的文件，将上述模块定义粘贴到该文件中。然后，在 build.sbt 文件中添加以下依赖项：

libraryDependencies += "edu.berkeley.cs" %% "chisel3" % "3.4.3"

最后，在 src/main/scala 目录下创建一个名为 Main.scala 的文件，并添加以下代码以实例化 MyModule：

import chisel3._
import my_project.src.main.resources.MyModule

object Main extends App {
  (new ChiselStage).emitVerilog(new MyModule())
}

现在，你可以使用 sbt 编译和运行这个项目。在终端中进入项目根目录，然后执行以下命令：

sbt "runMain my_project.src.main.scala.Main"

这将生成 Verilog 文件并将其打印到控制台。你可以将这些文件导入到你的 FPGA 设计工具中进行进一步的开发和调试。

生成Verilog代码

在硬件描述语言Chisel中，我们可以通过定义模块并使用emitVerilog方法来生成Verilog代码。以下是一个简单的例子：

import chisel3._

class MyModule extends Module {
  val io = IO(new Bundle {
    val in = Input(UInt(8.W))
    val out = Output(UInt(8.W))
  })

  io.out := io.in + 1.U
}

object MyModule extends App {
  chisel3.Driver.execute(args, () => new MyModule())
}

在这个例子中，我们定义了一个名为MyModule的模块，它有一个输入in和一个输出out。然后我们在main方法中使用chisel3.Driver.execute方法来生成Verilog代码。

测试与验证

在Chisel中，我们可以使用Scala的断言（assert）来进行测试和验证。以下是一个简单的例子：

import chisel3._
import org.scalatest._
import chisel3.util._

class MyModuleTest extends FreeSpec with ChiselScalatestTester {
  "MyModule" should "work correctly" in {
    test(new MyModule) { c =>
      c.io.in := 2.U
      c.clock.step(10)
      c.io.out.expect(3.U)
    }
  }
}

在这个例子中，我们定义了一个名为MyModuleTest的测试类，它继承自FreeSpec和ChiselScalatestTester。然后我们在should work correctly这个测试中，创建了一个MyModule的实例，设置了输入为2，然后让时钟走10个周期，最后检查输出是否为3。

硬件描述语言 Chisel 高级特性

Chisel 是一种硬件描述语言，它允许开发者使用 Scala 或 Java 来定义硬件。在掌握了基本的 Chisel 语法和概念之后，我们可以开始学习一些高级特性。

1. 类型层次结构

Chisel 支持丰富的类型层次结构，包括 Bits、Bool、Int、FixedPoint 等。通过继承这些基本类型，我们可以创建自定义的硬件数据类型。

import chisel3._

class MyData extends Bundle {
  val myBits = UInt(8.W)
  val myBool = Bool()
}

2. 组合逻辑和时序逻辑

Chisel 支持组合逻辑和时序逻辑的混合设计。我们可以通过 withClock 方法将一个组合逻辑模块转换为时序逻辑模块。

import chisel3._
import chisel3.util._

class MyModule extends Module {
  val io = IO(new MyBundle)
  val myReg = Reg(UInt(8.W))

  withClock(io.clock) {
    myReg := io.myIn
    io.myOut := myReg
  }
}

3. 状态机设计

Chisel 提供了一套简洁的状态机设计方法，我们可以通过 when、is、elsewhen、otherwise 等关键词来定义状态转换逻辑。

import chisel3._
import chisel3.util._

class MyFSM extends Module {
  val io = IO(new MyBundle)
  val stateReg = RegInit(0.U(2.W))

  when (io.reset) {
    stateReg := 0.U
  } .otherwise {
    when (io.next) {
      stateReg := stateReg + 1.U
    } .otherwise {
      stateReg := stateReg - 1.U
    }
  }
}