基于Chisel的FPGA流水灯设计

一、Chisel

（一）什么是Chisel

Chisel是一种基于Scala的硬件构造语言，它允许设计者使用高级的编程概念来构建硬件。Chisel的设计哲学是“不要重复自己”（DRY），这意味着它鼓励设计者通过参数化和模块化来重用代码。

（二）Chisel能做什么

在硬件设计领域，传统的硬件描述语言（如Verilog和VHDL）虽然功能强大，但它们通常比较底层，需要设计者关注很多细节。这不仅增加了设计的复杂性，也容易引入错误。而Chisel语言提供了一种更高层次的抽象，使得设计者可以专注于硬件的功能和行为，而不是具体的实现细节。

（三）Chisel的使用

1. 定义模块：
   在Chisel中，硬件模块被定义为Scala的类或对象，这些类或对象可以包含端口（IO）和内部逻辑。
2. 构建行为：
   Chisel使用Scala的表达式来定义硬件的行为。例如，可以使用条件语句和循环来实现控制逻辑。
3. 参数化设计：
   Chisel支持参数化设计，这意味着可以通过参数来定义模块的大小和功能，从而创建可重用的硬件组件。
4. 生成硬件：
   在Chisel提中使用generateVerilog等工具来将高级的Chisel代码转换成传统的硬件描述语言。

（四）Chisel的优缺点

1.优点

1. 硬件构建语言：

Chisel专注于硬件设计，提供了专门的语法和功能来构建硬件。

2. 内嵌于Scala：

由于Chisel是Scala的一个特定领域语言，它能够利用Scala的高级特性，如面向对象编程、函数式编程等。

3. 高度参数化：

Chisel支持使用Scala的元编程来创建高度参数化的硬件设计，这有助于代码复用和设计灵活性。

4. 代码复用：

Chisel支持端口的嵌套、继承和重载，这使得端口代码复用变得高效，减少了定义和连接端口的工作量。

5. 设计参数化：

Chisel的设计参数化特性允许设计者创建可配置和可重用的硬件模块。

6. 编译器结构：

Chisel是硬件编译器框架的一部分，类似于LLVM在软件编译中的应用，这使得前后端解耦，允许编写其他前后端，并利用现有的中端优化和后端。

7. 自动化特化/转换：

Chisel的编译器结构允许电路的自动化特化和转换，例如将电路转换为FPGA优化版本，提高运行速度。

2.缺点

1. 学习曲线：

对于习惯于使用传统硬件描述语言（如Verilog和VHDL）的工程师来说，Chisel可能有一个陡峭的学习曲线，因为它需要掌握Scala语言和Chisel特定的语法。

2. 社区和工具支持：

虽然Chisel正在获得越来越多的关注，但与Verilog和VHDL等成熟的硬件描述语言相比，它的社区和工具支持可能还不够广泛。

3. 不支持某些结构：

Chisel可能不支持Verilog中的所有结构，例如模拟元素，尽管它提供了通过Verilog黑匣子的逃生舱口来解决这个问题。

4. 普及度：

Chisel作为一种相对较新的语言，可能还没有在工业界得到广泛的普及和应用，这可能会影响到它的接受度和使用。

二、流水灯设计

先搭建好环境：chisel开发环境搭建(intellij)
built.sbt

name := "untitled2"

version := "0.1"

scalaVersion := "2.11.10"
scalacOptions += "-Xsource:2.11"

libraryDependencies ++= Seq(
  "edu.berkeley.cs" %% "chisel3" % "3.1.2",
  "edu.berkeley.cs" %% "chisel-iotesters" % "1.2.3",
  "org.scalatest" %% "scalatest" % "3.0.5" % "test"
)

FlowingLED.scala

package flowing_led

import chisel3._
import chisel3.util._

class FlowingLED extends Module {
  val io = IO(new Bundle {
    val led = Output(UInt(18.W))
  })

  // 计数器生成函数
  def genCounter(n: UInt): UInt = {
    val cntReg = RegInit(0.U(32.W))
    cntReg := Mux(cntReg === n - 1.U, 0.U, cntReg + 1.U)
    cntReg
  }

  val TIME_0_1S = 5000000.U
  val count = genCounter(TIME_0_1S)
  val shiftReg = Reg(UInt(18.W))  // 初始化寄存器为0，位宽为18

  // 移位逻辑
  when(!reset.toBool()){
    shiftReg := 0.U // 复位时初始化为0
  }.otherwise {
    when(count === (TIME_0_1S - 1.U)) {
      shiftReg := Cat(shiftReg(16, 0), ~shiftReg(17)) // 移位操作
    }
  }

  io.led := shiftReg
}

FlowingLEDNew.

package flowing_led

import chisel3.Driver

object FlowingLEDNew extends App {
  val targetDir = "output_FlowingLED"
  Driver.execute(Array("--target-dir", targetDir), () => new FlowingLED())
}

点击运行文件

用Quartus新建工程，添加FlowingLED.v
因对chisel还不是很熟悉，由chisel生成的verilog中有些错误，
所以需将

always @(posedge clock) begin
  if (reset) begin
  改为
always @(posedge clock) begin
  if (!reset) begin

再加入测试文件
flowing_led_tb

`timescale 1ns / 1ps

module flowing_led_tb;

  // 测试平台的输入输出定义
  reg clock;     // 时钟信号
  reg reset;     // 复位信号
  wire [17:0] io_led;  // LED 输出

  // 实例化被测试模块
 	FlowingLED uut (
    .clock(clock),
    .reset(reset),
    .io_led(io_led)
  );

  // 时钟信号生成
  always #10 clock = ~clock;  // 产生一个周期为20ns的时钟信号，即50MHz

  // 测试过程
  initial begin
    // 初始化输入信号
    clock = 0;
	 reset = 0;
	 
	 #100;
	 
    reset = 1; // 初始复位信号设为高
    
    // 等待一个时钟周期以稳定复位状态
    #1000000;
    
    // 释放复位信号
    reset = 0;
    
    // 等待一段时间观察 LED 的变化
    #100; // 等待1000ns，观察流水灯的初始状态

    
    // 结束仿真

  end

  // 监视信号
  initial begin
    $monitor("Time=%t, reset=%b, count=%d, io_led=%b, _T_28=%b, _T_24=%b, _GEN_2=%d",
             $time, reset, uut.count, io_led, uut._T_28, uut._T_24, uut._GEN_2);
  end

endmodule

为方便测试可以将生成的count和GEN2改小一点：

 assign _T_9 = count == 32'h10; // @[FlowingLED.scala 26:26:@9.4]
 assign _GEN_2 = 32'h9;// @[FlowingLED.scala 15:17:@24.6]

编译运行一下
打开Modelsim进行仿真
先运行

vlog 自己的路径：/Flowing_led_tb.v
vsim water_led_tb

在运行run -all
可以得到仿真结果：


也可以看仿真出来的图