Chisel：Scala的硬件构建语言

小蓝 • 2025-01-06 15:17 • 编程

一、什么是Chisel

Chisel是一个用于高级硬件设计的Scala语言接口。它允许设计人员以高性能、类型安全的方式构造参数化的数字电路。Chisel采用Scala的可扩展性和强制性类型，可以用于描述高速、低功耗现场可编程门阵列（FPGA）硬件、低延迟、高并发性能芯片，甚至是动态重构的硬件。

与传统的硬件描述语言不同，Chisel是一种基于工程的概念的语言。它内置了许多工具和库，可以用于简化设计流程，并提供高层次的软件抽象层次和等效性，进一步提高用户的可移植性。事实上，Chisel非常适合用于构建可重用的芯片设计库。

二、Chisel特征

1. Chisel是一种基于硬件生成器的语言

硬件生成器可以使用Scala的函数、类和模块来定义，从而生成具有丰富性质的数字电路。通过使用硬件生成器，设计人员可以通过Chisel生成各种设计，例如组合逻辑、时序逻辑、状态机和流水线等。

2. Chisel支持代码重用性

Chisel融合了硬件生成器的特性，使用户能够轻松地将代码重用于不同的硬件系统。这种模块化方法与软件开发类似，并具有与高级编程语言相同的语义和结构，使得硬件设计更加直观、健壮和可扩展。

3. Chisel提供了类型安全

Chisel采用Scala的强制性类型，使得设计人员能够更好地发现、检测和纠正错误。在硬件语言中，错误会导致芯片的故障或不可预测的行为，因此Chisel的类型安全和可验证性非常重要。

4. Chisel提供了高性能和低延迟

Chisel使用Scala的函数式编程原则，因此具有高并发性和低延迟特性。硬件代码可以在Scala中生成，然后通过优化流水线来提高硬件系统的性能和加速。

5. Chisel提供了高层次的抽象功能

Chisel可以用于定义和构建高级别抽象，例如高层次语境、数据结构和算法。这一特性有利于将软件开发者转化为硬件系统设计人员，并极大地促进了硬件和软件之间的交互。

三、Scala + Chisel示例

Chisel中的图像处理示例


import Chisel._

class ImageProcessing(width: Int, height: Int) extends Module {
  val input = UInt(INPUT, width * height * 3)
  val output = UInt(OUTPUT, width * height * 3)

  val hsobel = Vec(Seq(-1, -2, -1, 0, 0, 0, 1, 2, 1).map(SInt(_))) // horizontal Sobel filter
  val vsobel = Vec(Seq(-1, 0, 1, -2, 0, 2, -1, 0, 1).map(SInt(_))) // vertical Sobel filter

  val img = Vec(Seq.fill(width * height)(Vec(Seq.fill(3)(Bits(0, width = 8))))).flatten
  val img_w = Reg(init=Bits(0, width = width * 3))
  val img_row = img_w(width - 1, 0)
  val img_data = Reg(init=UInt(0, width = 24))

  val h_sums = Vec(Seq.fill(height)(Reg(init=SInt(0, width = 8))))
  val v_sums = Vec(Seq.fill(width)(Reg(init=SInt(0, width = 8))))
  val mag_ img row = Vec(Seq.fill(width * height)(Bits(0, width = 8)))
  val angle_row = Vec(Seq.fill(width * height)(Bits(0, width = 9)))

  for (i  k * v}.reduce(_+_));
    v_sums(i) := Mux(img_row === UInt(0), SInt(0), vsobel.zip(((0 until height) map (j => img(i + width * j)))).map{case(k, v) => k * v}.reduce(_+_));
    mag_row(i) := math.sqrt(h_sums(i) * h_sums(i) + v_sums(i) * v_sums(i)).toBit()
    angle_row(i) := (((math.atan2(v_sums(i), h_sums(i)) + math.Pi) / (2 * math.Pi)) * 512 + 0.5).floor.toUInt()
  }

  when (img_row === UInt(0)) {
    img_w := input
  } .otherwise {
    img_w := img_w(width * 3 - 1, 0) ## input
  }
  img_data := img_w(23, 0)
  for (i <- 0 until width) {
    for (j  Module(new ImageProcessing(256, 256)))
  }
}

四、总结

Chisel是一个高度可扩展的硬件构建语言，可以与Scala的模块化和函数式编程结合使用。它提供了许多特性，例如硬件生成器、代码重用性、类型安全、高性能/低延迟和高级抽象功能，可以让设计人员更加直观、健壮和可扩展的构建数字电路。同时，Scala的可扩展性和强制性类型使得Chisel非常适合进行高速、低功耗现场可编程门阵列（FPGA）硬件、低延迟、高并发性能芯片，甚至是动态重构的硬件等领域的构建。

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