基于Chisel语言的FPGA流水灯程序

一、内容概要

Chisel介绍
Chisel使用流程
Chisel流水灯实操

二、 Chisel介绍

Chisel 是一种构建硬件描述语言（HDL）的高级编程语言，它允许硬件设计师以更抽象的方式编写代码，然后编译生成低级的硬件描述语言（通常是Verilog）代码，进而用于 FPGA 或 ASIC 的设计实现。Chisel 由加州大学伯克利分校的伯克利软件定义硬件（BSDH）项目开发，其主要目标是提高硬件设计的生产效率、可读性和可维护性。

概念：
Chisel 结合了现代软件工程的原理与硬件设计的实践，支持面向对象编程特性，如类、继承、多态等，同时也引入了静态类型和类型安全的概念，有助于在设计阶段捕捉错误。它利用Scala 语言作为基础，这意味着设计师可以利用Scala 强大的库和工具生态系统。Chisel 提供了一套丰富的数据类型和构造，使得设计者能够以高层次的抽象来描述数字电路，比如向量、内存、多路复用器等，并且支持参数化模块，便于设计复用和配置。

用途：

提高设计效率：Chisel 的高层抽象能力使得设计师可以更快地实现复杂的数字电路设计，减少手动编写底层 HDL 代码的工作量。
增强可读性和可维护性：通过使用高级语言特性，Chisel 设计的代码更加接近自然语言，易于阅读和理解，有利于团队协作和长期维护。
促进设计复用：Chisel 支持模块化和参数化设计，便于创建可配置的组件库，加速后续项目开发。
简化验证流程：Chisel 设计可以直接与验证框架（如Chisel Testers 2）集成，支持快速创建测试平台，加速设计验证过程。
教育和研究：Chisel 的高级特性降低了硬件设计的入门门槛，使其成为教学和研究的理想工具，特别是在计算机体系结构和并行计算领域。
综上所述，Chisel 作为一种现代化的硬件设计语言，极大地提升了硬件设计的抽象层次，促进了设计的灵活性、高效性和质量，是现代硬件设计和研究中的一个重要工具。

学习Chisel语法规则等可以在吃透Chisel语言进行学习

三、 Chisel的使用

本文将介绍Chisel在IDEA中的使用方法

Chisel 是以Scala语言为基础的语言，而Scala又是以Chisel为基础的语言，这样套壳，也可以认为Chisel是以Java为基础的语言，语法比较类似，同样也就能在IDEA进行编译

准备一个IDEA：下载地址
在IDEA里面下载scala插件：
（我的IDEA下载了汉化插件，所以界面文本是中文）
在files->setting->Plugin里面搜索Scala然后下载(也可以搜索chinese下一个汉化插件Chinese(simplified) Language)

下载完成后重启IDEA
创建Scala项目

Scala版本必须选择2.12.12及以前的，后续版本不再支持Chisel
配置Chisel
在根目录找到配置文件build.sbt，复制粘贴以下文本：

name := "chisel4De2115"

version := "0.1"

scalaVersion := "2.12.10"
scalacOptions += "-Xsource:2.11"
libraryDependencies += "edu.berkeley.cs" %% "chisel3" % "3.1.2"
libraryDependencies += "edu.berkeley.cs" %% "chisel-iotesters" % "1.2.3"

Scala版本根据自己版本选择，name也可自定义
然后点击以下按钮其中之一：
在这里插入图片描述
构建成功后就可以写Chisel代码了

四、流水灯实现

在src/main/scala目录下新建一个scala文件
在这里插入图片描述
复制粘贴以下代码:

import chisel3._
import chisel3.experimental.RawModule
import chisel3.util._

class waterled extends Module  {
  val io = IO(new Bundle {
    val led = Output(UInt(18.W))
  })
  val TIME_0_1S = 5000000.U
  val count = genCounter(TIME_0_1S)
  val shiftReg = Reg(UInt(18.W))
  when (reset.toBool()){
    shiftReg:=0.U(18.W)
  }.otherwise{
    when (count === TIME_0_1S-1.U ){
      shiftReg := Cat(shiftReg(16, 0), ~shiftReg(17))
    }.otherwise{
      shiftReg :=shiftReg
    }
  }



  io.led := shiftReg
  def genCounter(n: UInt): UInt = {
    val cntReg = RegInit(0.U(32.W))
    cntReg := Mux(cntReg === n, 0.U, cntReg + 1.U)
    cntReg
  }
}



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

然后点击运行，将chisel代码转化成verilog代码
在这里插入图片描述
运行成功

在根目录下可以找到.v文件

可以直接将这个文件放到quartus里面进行编译烧录查看结果：

注意：这个代码是按住按钮才会进行流水灯，松开就灯灭重置，要想松>开流水灯，按下重置的话，暂时没有找到如何从chisel代码入手修改，所>以需要在verilog代码修改，只需要在reset前加一个感叹号取个反即可

在这里插入图片描述
参考管脚:

运行结果：
在这里插入图片描述

五、心得体会

学习Chisel语言是一段既充满挑战又极具启发性的旅程。Chisel以Scala为基础，它的抽象级别高，极大提升了硬件设计效率，让代码更简洁且易于维护。通过Chisel，我体验了用近似软件工程的思维做硬件设计的便捷，特别是在模块化、参数化设计上的优势，这为复用代码和快速迭代创造了条件。Chisel结合Scala的强大生态，使得测试和验证更加高效，同时降低了硬件设计的学习曲线，尤其适合教学和研究用途。亲手实践，如在IDEA中配置环境并实现流水灯项目，让我深刻理解了理论到实践的每一步，过程中遇到问题的解决也锻炼了自我探索能力。总之，Chisel正引领硬件设计的新风潮，它不仅丰富了我的技术栈，也激发了对硬件设计未来无限可能的想象。