搭建自己的 CPU / Chisel 介绍

jwnhy Nov 05, 2022

Chisel 介绍

Chisel 是一个通过 Scala 语言生成 Verilog 代码，然后再通过 FPGA 工具写入板子。 Chisel 是 Scala 的开源项目，而 FPGA 工具 Vivado 与 Quartus 则一般是由 Xilinx 和 Intel 等 FPGA 板卡厂商提供，并非开源。有一个被称为 F4PGA 的开源项目意图提供开源工具链替代 Vivado 与 Quartus，目前支持的板卡非常有限。

graph LR;
Chisel-->Verilog-->Quartus/Vivado-->FPGABoard;

本文介绍

本文旨在记录自己学习 FPGA 编程的过程，我之前只有软件设计的基础，对 RISC-V 指令集较为了解。对硬件知识例如数字电路，时序逻辑等则是一无所知。之前了解到有一本基于 Chisel 搭建 CPU 的书籍，可惜只有日文版。这只是爱好性质的练习，但会尽力在最后做到一个能够 Work 的 RISC-V CPU 原型。

主要参考书籍 Digital Design with Chisel
FPGA 板卡 DE10 Lite
FPGA 核心 MAX10M50DAF484C7G
仓库地址 jwnhy/ddchisel

FPGA 板卡不一定非要是同款，只要有类似器件即可，需要在 Pin Assignment 阶段根据手册重新设置针脚映射。

Chisel 构建系统

Scala 使用 sbt (Simple Build Tool) 作为其构建系统，一个使用 Chisel 的 sbt 构建文件如下所示。

// build.sbt
scalaVersion := "2.12.13"

scalacOptions ++= Seq(
  "-feature",
  "-language:reflectiveCalls",
)

// Chisel 3.5
addCompilerPlugin("edu.berkeley.cs" % "chisel3-plugin" % "3.5.4" cross CrossVersion.full)
libraryDependencies += "edu.berkeley.cs" %% "chiseltest" % "0.5.3"
libraryDependencies += "edu.berkeley.cs" %% "chisel3" % "3.5.4"

目录结构

由于 Scala 也是基于 JVM 的语言，继承了 Java 系列复杂的目录结构，通常一个 Chisel 项目的目录结构如下。

project
|   Makefile
|   build.sbt
|---src
    |---main
        |---scala
            |   Top.scala
            |   Module.scala
    |---test
        |---scala
            |   TopTest.scala
            |   ModuleTest.scala

Hello Chisel

接下来我们来看一个例子。

// Hello.scala
package hello
import chisel3._

class Hello extends Module {
  val io = IO(new Bundle {
    val andSw = Input(UInt(2.W))
    val andLed = Output(UInt(1.W))
    val orSw = Input(UInt(2.W))
    val orLed = Output(UInt(1.W))
    val xorSw = Input(UInt(2.W))
    val xorLed = Output(UInt(1.W))
  })
  io.xorLed := io.xorSw(0) ^ io.xorSw(1)
  io.andLed := io.andSw(0) & io.andSw(1)
  io.orLed := io.orSw(0) | io.orSw(1)
}

object Hello extends App {
  (new chisel3.stage.ChiselStage).emitVerilog(new Hello(), Array("--target-dir", "generated"))
}

val io 代表声明一个常量，相对应的，在 Scala 中，可以用 var 声明一个可以反复赋值的变量，这两者分别对应 Value 与 Variable。
IO(new Bundle {})， IO 代表声明端口，Bundle 与 C 语言中的结构体类似，用于将一组值组合在一起。
val andSw = Input(UInt(2.W))， Input 指明端口类型，UInt 表示该端口处理的为无符号整形，长度为 2.W bits，值得注意的是，这里的 UInt 与 2.W 均非 Scala 自带的类型，而是用于表示硬件的类型，前者代表一个可综合的值，后者则是专用于表示宽度的 Width 类型，在这里由字面量 1 通过 .W 后缀转换而来。
io.xorLed := io.xorSw(0) ^ io.xorSw(1)，这里的 := 为重载后的运算符，被 Chisel 定义为线路间的连接，整个语句代表将 io.xorLed 与 io.xorSw 的两个位通过与非门连接起来。

创建好目录结构后，我们只需要运行下面的指令即可令 Chisel 生成对应的 Verilog 代码。

sbt run

接下来，在 generated/Hello.v 中，即可看到 Chisel 生成的 Verilog 代码如下，

module Hello(
  input        clock,
  input        reset,
  input  [1:0] io_andSw,
  output       io_andLed,
  input  [1:0] io_orSw,
  output       io_orLed,
  input  [1:0] io_xorSw,
  output       io_xorLed
);
  assign io_andLed = io_andSw[0] & io_andSw[1]; // @[Hello.scala 14:28]
  assign io_orLed = io_orSw[0] | io_orSw[1]; // @[Hello.scala 15:26]
  assign io_xorLed = io_xorSw[0] ^ io_xorSw[1]; // @[Hello.scala 13:28]
endmodule

Hello Quartus

创建项目

有了 Verilog 代码之后，下一步就是用 Quartus 将 Verilog 代码烧录进 FPGA 开发板中。

开启 Quartus，按照下列步骤创建新项目（也可以直接使用仓库中的 .qpf。

File->New->New Quartus Prime Project->...

注意在创建过程中，选择正确的板卡类型 MAX10M50DAF484C7G。创建项目结束后，在左侧 Project Navigator 下拉框中，选择 Files ，右键点击最顶层的 Files 并选择 Add/Remove Files in Project。 Add File in Quartus 在将 generated/Hello.v 添加到项目中之后，右键点击刚添加的文件，选择 Set as a Top-Level Entity，表明其为顶层实体。

针脚分配

值得注意的是，到目前为止，我们的 Chisel & Verilog 程序都只定义了软件层面上的端口，并没有将硬件针脚和软件端口进行对应，接下来我们就要使用 Quartus Prime 进行针脚分配。

首先输入部分，我们有 io_{and,or,xor}Sw 三个输入，每个输入 2 bits，我们将它们绑定到板子上的 6 个开关上。

打开 DE-10 Lite 开发板的 User Manual

翻到关于 Push-button、Switches、LEDs 一节，找到对应的名称。

开关分配图

接着我们在最上方选择到 Pin Planner，分配对应的引脚。

Assigments->Pin Planner

引脚分配

为了避免重复劳动，Quartus 也提供了将引脚分配导出成 .csv 文件的方式，具体大家可以自己探索下，这里就不多讨论了。

综合与烧写

做完这些后，对 Verilog 代码进行综合（类似于编译），点击蓝色三角形即可，或者

Processing->Start Compliation

最后插入板卡，对 FPGA 进行编程。

Tools->Programmer

烧写结束后，应该就能够在 LED 灯上看到关于开关状态的反馈了。