Chisel入门教程

Chisel的基本概念

1、Chisel硬件表达

此版本的Chisel只支持二进制逻辑，不支持三态信号。

2、Chisel数据类型

数据类型用于指定状态元素中保存的值或wire上传输的值。 

类型有SInt，UInt，Bool，Bundle，Vcc。

Bundles&Vecs 

Bundle和Vec是可以允许用户使用其他数据类型来扩展Chisel数据类型集合的类。Bundle用class来定义，用户可以通过将一个类定义为Bundle的子类来定义自己的bundle。

原始类（SInt，UInt和Bool）加上聚合类（Bundles和Vecs）都继承自一个公共的超类Data。在电路中，每个最终继承自Data的对象都可以表示为一个位向量。

3、组合电路

在Chisel中，电路会被表示为一张节点图。每个节点是具有零个或多个输入并驱动一个输出的硬件运算符。

Uint是一种退化类型的节点，它没有输入，并且在其输出上驱动一个恒定的值。创建和连接节点的一种方法是使用字面表达式。

eg. (a&b)|(c&d)

任何简单的表达式都可以直接转换成电路树，在叶子处使用命名的导线和操作符形成内部节点。表达式的电路输出取自树根处的运算符，在本示例中是按位或运算。

3、函数

我们可以定义函数来分解一个重复的逻辑，这样可以在后续设计中重复使用。

eg. def clb(a: UInt, b: UInt, c: UInt, d: UInt): UInt = (a & b) | (~c & d)

其中clb是表示以a，b，c，d为参数的函数，并返回一个布尔电路的输出。def关键字是Scala的一部分，表示引入了一个函数定义，每个语句后面跟一个冒号，然后是它的类型，函数返回类型在参数列表之后的冒号之后。（=）符号将函数参数列表与函数定义分隔开。 

然后我们就可以在其他的电路中使用了：

val out = clb(a,b,c,d)

4、端口

端口用作硬件组件的接口。一个端口可以是任意的Data对象，但它是具有方向的。 Chisel提供端口构造函数，以允许在构建时给对象添加（输入或输出）。原始的端口构造函数需要将方向作为第一个参数（方向为INPUT或OUTPUT），将位数作为第二个参数（除了始终为1位的布尔值）。

eg. 端口声明如下所示

class Decoupled extends Bundle {

val ready = Bool(OUTPUT)

val data = UInt(INPUT, 32)

val valid = Bool(INPUT)

}

5、模块

我们现在可以构建电路层次，我们可以从较小的子模块开开始构建更大的模块。

Module用class来定义，继承Module。

6、状态元素

Chisel支持的状态元素的最简单形式是上升沿触发寄存器，可以实例化为：

val reg  = Reg(next = in)

该电路具有输出，该输出是前一个时钟周期的输入信号产生的值。在当前版本的Chisel中，时钟和复位是全局信号，在需要时可以隐式包含。

6.1、转发声明

纯组合电路在节点之间不存在周期，如果检测到这样的周期，则Chisel将报告错误。因为它们不具有周期，所以可以总是以前馈方式构建组合电路，通过添加一些输入从已经定义的节点导出的新节点。时序电路在节点之间具有反馈，因此有时需要在生成节点被定义之前输出。因为Scala顺序执行程序语句，所以我们允许数据节点作为wire来提供节点声明，这样可以立即被使用，但其输入将稍后设置。如下例所示，在简单的CPU中，我们需要定义pcPlus4和brTarget的线，以便在定义之前引用它们：

val pcPlus4 = UInt()

val brTarget = UInt()

val pcNext = Mux(io.ctrl.pcSel, brTarget, pcPlus4)

val pcReg = Reg(next = pcNext, init = UInt(0, 32))

pcPlus4 := pcReg + UInt(4)

...

brTarget := addOut

接线操作符:=用于在pcReg和addOut定义后连接。

6.2、条件更新

（1）在前面使用到寄存器的示例中，我们简单地将组合逻辑块连接到寄存器的输入。当描述状态元素的操作时，指定何时将发生寄存器更新并且用几个单独的语句指明这些更新。Chisel以when的形式提供条件更新规则，以支持这种顺序逻辑描述的风格。

val r = Reg(init = UInt(0, 16))

when (cond) {

r := r + UInt(1)

}

其中只有在cond为真时，才在当前时钟周期的结尾更新寄存器r。when的参数是返回Bool值。后面的更新块只能包含使用赋值运算符:=，简单表达式和用val定义的命名引线的更新语句。

（2）在条件更新序列中，条件为真的最近条件更新优先。

6.3、有限状态机

class Parity extends Module {

val io = new Bundle {

val in = Bool(dir = INPUT)

val out = Bool(dir = OUTPUT)

}

val s_even :: s_odd :: Nil = Enum(UInt(), 2)

val state = Reg(init = s_even)

when (io.in) {

when (state === s_even) { state := s_odd }

when (state === s_odd) { state := s_even } 

}

io.out := (state === s_odd)

}

其中Enum(Uint(), 2)生成两个UInt数。当io.in为true时更新状态。需要注意的是，FSM的所有机制都建立在寄存器，线和条件更新的基础上。