【从嵌入式视角学习香山处理器】四、Chisel语言基础

一、前言

这是记录学习chisel官方文档的笔记。原文档pdf下载链接在这里：
http://www.imm.dtu.dk/~masca/chisel-book-chinese.pdf

写这篇文章找到了另一篇官方的中文简介文章，可作为学习阶段反复阅读复习用的材料。
（下载链接：http://www.aiotek.pro/aiotek/doclib/chisel/chisel-getting-started-chinese.pdf）

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二、Linux上对scala工程的操作

1. helloworld执行命令：

sbt "runMain <对象名(而不是文件名)>"

2. 有多个工程目录时，需要切换工程：

sbt
project
project <工程名>
ctrl+C

3. 编译报错：

[error] (run-main-0) java.lang.NoSuchMethodException: Hello.main([Ljava.lang.String;)

main就是object；代码中只有class是不够的；

[error] /home/cwq/6_chisel_book_and_example/1_cwq_example/2_Hello_hardware.scala:2:8: not found: object chisel3

缺少编译配置文件，默认是build.sbt；需要从别的工程里复制出来用；

4. 给vscode的scala插件设置JAVA_HOME路径：

确认JAVA_HOME路径的方法：https://www.cnblogs.com/huaisn/articles/14499330.html

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三、(ch4)基本组成部分

ch4.1：信号类型与常量：

1. 信号类型：Bits、UInt、SInt
2. 常量：.W（表示信号类型或常量的宽度）、.U、.S
3. 8.U(4.W)表示4bit宽度的常量8
4. “hff”.U、“o377”.U、“b1111_1111”.U分别为十进制常量255.U在其它进制下的表示
5. bool类型：true.B、false.B

ch4.2：组合电路：

1. 算数操作符：（和其它语言一样的）加减乘除、取余、取反
2. 逻辑操作符：与非或、异或、相等、不等
3. 操作符的优先级取决于电路的赋值顺序（不同于其它语言）：所以有必要使用括号
4. chisel提供的复用器：

val result = Mux(<条件>, <条件为真的输出选择>, <条件为假的输出选择>)

ch4.3：状态寄存器：

1. 寄存器定义：val reg = RegInit(0.U(8.W))，定义了一个八位寄存器，在复位初始化为0
2. 寄存器用作计数器的示例：从0数到9，并重新返回0，以实现数10个数的目的

val cntReg = RegInit(0.U(8.W))
cntReg := Mux(cntReg === 10.U, 0.U, cntReg+1.U)

ch4.4：使用Bundle和Vec来构建

1. Bundle：组合不同类型的信号
2. Vec：组合可索引的相同类型的信号
3. Bundle和Vec可以相互嵌套
4. 定义一个Bundle类型、有初始值的寄存器：先创建Bundle类型的Wire变量，再给这个变量赋值，再用这个变量去定义寄存器

val initVal = Wire(new Channel())
initVal.data := 0.U
initVal.valid := false.B
val channelReg = RegInit(initVal)

四、(ch5)搭建过程和测试

ch5.1：使用sbt搭建你的项目

1. 库文件通过build.sbt被引用
2. 如果build.sbt设置latest.release则表示总是用最新的chisel版本，这意味着每次搭建都要联网查看maven仓库——实际上提倡无联网情况下的搭建
3. “import <软件包名>._”表示包里的所有类都要被引用
4. chisel工具流：参考文档中的fig5.2图，从.scala文件到生成.vcd波形文件和.v综合电路文件
   

ch5.2.1：PeekPokeTester

1. chisel模块的单元测试：sbt "runMain xxx"

ch5.2.2：使用scalaTester

1. scala模块的单元测试：sbt "testOnly xxx"

ch5.2.3：波形

1. 在scalaTester下使用Driver.execute()代替Driver()，即可生成.vcd波形文件，用GTKWave（或ModelSim）可以打开

ch5.2.4：printf debugging

1. printf是来源于C语言的另一种调试形式：在函数的任何地方都可以插入printf()函数
2. printf支持C和scala两种风格
3. 示例：略

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五、(ch6)组成部分

ch6.1：chisel的组成部分是模块

1. 模块的嵌套示例：fig6.1
   • （重要）“硬件组件”在chisel代码里称为module，所以它们都用extends Module继承的方式来定义。并且里面一定要用IO(new Bundle())定义它的全部IO——Input和Output都在里面一起定义。
     

ch6.2：一个运算逻辑单元

1. 以一个简单的运算逻辑单元ALU为作为大Module的示例，讲解其内部fetch、decode、execute三个Module的互联关系
2. 顺便引出：switch/is语句的使用，需要引入chisel3.util包

ch6.3：整体连接

1. Bundle的整体双向互联，可用批量连接运算符"<>"：Bundle中识别为同名的信号val，会互联到一起

ch6.4：使用函数的轻量级组成部分

1. 函数(def)：模块(class … extends Module)是构造硬件描述的通用方法。但是，也有一些“样板代码”可以在对模块进行声明、实例化、连接时使用（这就是函数）
2. 示例1：用RegNext()函数构造延时一周期的新函数：

def delay(x:UInt) = RegNext(x)

3. 示例2：调用上述函数，来定义一个“对输入变量延时两个周期后输出的变量”

def delay(x:UInt) = RegNext(x)
val delOut = delay(delay(defIn))

六、(ch7)组合搭建模块

ch7.1：组合电路

1. 组合电路在chisel中的表示1：逻辑运算
   • 最简单的就是定义一个变量名，其内容为布尔表达式
   • val e = (a & b) | c
   • val f= ~e
2. 组合电路在chisel中的表示2：复用器（输出信号要定义为Wire(UInt())）
   • 用chisel的when/.elsewhen/.otherwise表示二选一复用器的串联
   • 用switch/is表示多选一复用器
3. 说明：scala中也有if/else语句，但它不产生硬件，只是纯软件语句

ch7.2：解码器

1. 以2/4解码器为例，演示switch/is语句在实现解码器中的用法

ch7.3：编码器

1. 以4/2编码器为例，演示switch/is语句在实现编码器中的用法

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七、(ch8)时序建造模块

“因为我们感兴趣的是同步设计，所以当我们说时序电路时，就意味着是同步时序电路”

ch8.1：寄存器

1. 寄存器的时钟输入信号不需要定义：chisel已自动隐含添加
2. 用输入d和输出q来定义寄存器：val q = RegNext(d)
3. 定义带reset信号的寄存器：val valReg = RegInit(0.U(4.W))
4. 定义带enable信号的寄存器：

val enableReg = Reg(UInt(4.W))
when(enable) { enableReg := inVal }

5. 定义带reset和enable信号的寄存器：

val resetEnableReg = RegInit(0.U(4.W))
when(enable) { resetEnableReg := inVal }

ch8.2：计数器

1. 最简单形式的计数器就是将寄存器的输出连接到加法器，而加法器的输出连接到寄存器的输入（D触发器的输入D）

ch8.2.1：向上和向下计数

1. 用when条件语句，实现向上或向下计数到特定值后回到0
2. 用复用器硬件，实现向上或向下计数到特定值后回到0

ch8.2.2：使用计数器产生时序

1. 一个常见的实践是，在我们的电路中以f_tick频率产生单周期的tick（时钟脉冲）

ch8.2.3：nerd计数器

1. 向下计数到-1的计数器：检测最高bit为1就表示计数到了-1

ch8.2.4：一个计时器

1. 计时器：只计数一次的计数器
   • 示例：fig8.9和listing8.1
     
     

ch8.2.5：脉冲宽度调制

1. 示例：看不懂。略过

ch8.3：位移寄存器

1. 示例：串转并输出、并转串输入的实现，都是用Cat()来实现（Cat=concatenate）

ch8.3.1：使用并行输出的移位寄存器

1. 示例：fig8.12，serIn从高位开始移入outReg[3:0]
   

val outReg = RegInit(0.U(4.W))
outReg := Cat(serIn, outReg(3, 1))
val q = outReg

ch8.3.2：并行读取的移位寄存器

1. 示例：fig8.13，并行的loadReg[3:0]赋值给串行的寄存器serOut
   

	when(load) {
        loadReg := d
    } otherwise {
        loadReg := Cat(0.U, loadReg(3, 1))
    }
    val serOut = loadReg(0)

ch8.4：存储器

1. 存储器可以通过一系列的寄存器搭建。但基于寄存器的存储器硬件上非常昂贵，所以更大的存储器是通过sram搭建的
2. 同步存储器：在输入端（读/写地址、写数据、写使能）设计了寄存器。这意味着设置地址后一个周期，读的数据就可用了。
3. 用chisel库函数SyncReadMem构建的存储器模块只是最基本的存储器：可以指定byte数，但输入、输出data的宽度固定为1byte，另外还有一个写使能。剩下的定义需要外部重新封装。
4. 有一个有趣的问题：当在进行写操作的同一个时钟周期，对同一个地址进行读操作，会读到什么值、我们对存储器的read-during-write行为感兴趣。
   • 有三种可能：新值、旧值或未定义的值（新值和旧值不同bit的混合）。
   • 发生在fpga上的可能性取决于fpga的类型，有时还可以指定。
5. 示例：fig8.15，使用添加前递电路来使得read-during-write输出新值
   

        class ForwardingMemory() extends Module {
            val io = IO(new Bundle {
                val rdAddr = Input(UInt(10.W))
                val rdData = Output(UInt(8.W))
                val wrEna = Input(Bool())
                val wrData = Input(UInt(8.W))
                val wrAddr = Input(UInt(10.W))
            })
            val mem = SyncReadMem(1024, UInt(8.W))
            val wrDataReg = RegNext(io.wrData )
            val doForwardReg = RegNext(io.wrAddr === io.rdAddr && io.wrEna)
            val memData = mem.read(io.rdAddr)
            when(io.wrEna) {
                mem.write(io.wrAddr, io.wrData)
            }
            io.rdData := Mux(doForwardReg, wrDataReg, memData)
        }

6. ch8.5：练习
   • 略

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八、(ch9)输入处理

ch9.1：异步输入

1. 异步输入因为没有时钟，所以直接输出到触发器，可能会违反触发器输入的建立和保持时间，导致触发器的多稳态，甚至震荡；
2. 解决的方法是：使用“输入同步器”，即两个触发器串联（比如A和B），因为触发器是同步于时钟的，所以即使A输出可能是多稳态，但B输出可以是稳定的；
3. 实现：
   val btnSync = RegNext(RegNext(btn))

ch9.2：防抖动

1. 示例：在100MHz下，每隔10ms采样一次，以确认电平的变化，实现防抖动（要用到计数器，产生防抖动周期）

        val FAC = 100000000/100
        val btnDebReg = Reg(Bool())
        val cntReg = RegInit(0.U(32.W))
        val tick = cntReg === (FAC-1).U 
        //相当于bool变量的定义：tick为cntReg寄存器和(FAC-1).U常量的比较结果（硬件）；虽然后面没有显式地更新tick，但它在硬件运行过程中不断自动变化。

        cntReg := cntReg + 1 .U
        when (tick) {
            cntReg := 0.U
            btnDebReg := btnSync
        }

ch9.3：输入信号滤波

1. 输入信号中有噪声，但不想用以上的两种方法来排除（输入同步器、防抖动滤波），所以这里提出第三种处理方法：使用投票电路；
2. 实际这样的投票电路非常少用；
3. 对信号进行相同周期间隔的三次采样，输出结果取两次相同的值（要用到计数器，产生采样周期）；
4. 示例：(略)

ch9.4：使用函数合并输入处理

1. 第一次给出一个结合def定义函数、val定义变量的组合成的模块
2. 这个示例实现的功能是：有滤波处理的计数器
   • 对输入信号（按键输入）进行3次投票实现滤波: def filter(v: Bool, t: Bool);
   • 投票的时间间隔（周期）由另一个函数实现: def tickGen(fac: Int);
   • 对滤波后的信号寻找上升沿，定义一个计数器对该上升沿进行+1，实现了一个对外部信号的计数器

ch9.5：练习: (略)

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九、(ch10)有限状态机

ch10.1：基本有限状态机 (Moore FSM为例)

1. FSM：Finite-States Machine, 有限状态机，在chisel中是作为module内部的一部分；
2. 状态机的核心语句：
   • 状态定义1：用Enum枚举，状态名称自动被综合工具用二进制编码代替（当前chisel版本决定），如：val <状态1> :: <状态2> :: <状态3> :: Nil = Enum(<状态的个数，这里为3>)
   • 状态定义2：用Enum枚举，状态名称使用定义chisel常量（当前chisel版本需要显式使用才行）；这不是常用编码，示例略；
   • 状态使用：“状态”定义为寄存器，如：val stateReg = RegInit(<状态1>)
   • 状态切换：用switch/is语句：实现硬件的多选一复用器；

ch10.2：使用Mealy FSM产生快速输出

1. Moore FSM：输出由当前状态、当前输入决定，状态图的转换箭头用“<输入>”来标记；
2. Mealy FSM：输出由当前输出、当前输入决定，状态图的转换箭头用“<输入>/<输出>”来标记；
3. 示例：边沿检测电路
   • 不用状态机表示时，最简单的方法是一行chisel代码：val risingEdge = din & !RegNext(din)
   • 用Mealy状态机时，核心语句也是Enum、switch/is；
   • Mealy状态机代码：略；

ch10.3：Moore对比Mealy

1. 还是以最简单的“上升沿检测电路”为例，对比两者的优缺点
2. Moore FSM：
   • 优点：存在能切断组合路径的一个状态寄存器，所以不会发生FSM通信相关的两个问题（Mealy的缺点），这在稍微大一些的设计中尤为重要；
   • 缺点1：硬件实现所需要的逻辑比Mealy多一倍；
   • 缺点2：对输入信号的上升沿检测，最快也要同步到最近的一个时钟，不能同步于输入信号；
3. Mealy FSM：
   • 优点1：硬件实现所需要的逻辑比Moore少；
   • 优点2：对输入信号的上升沿检测，能跟随输入信号，而不用等待、同步于时钟信号；
   • 缺点1：Mealy内部用于FSM通信的组合路径，实际的设计会比较长；
   • 缺点2：如果FSM通信构成一个圆圈，那么组合路径也会形成一个环回，这在同步设计中会是个错误；
4. 总结1：Moore在FSM通信的组合中更好，因为它比Mealy更稳定；
5. 总结2：除非关注在当前周期下FSM的反应，才会用Mealy（因为它的输出同步于输入信号、而不是时钟）；
6. 总结3：类似“上升沿检测电路”这种小电路，Mealy也很实用；

ch10.4：练习: (略)

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十、(ch11)状态机通信

“通常问题会很复杂，以至于不能用单个fsm去描述。这种情况下，问题可以被分为两个或更多的更小、更简单的fsm。然后那些fsm使用信号去通信。一个fsm的输出是另一个fsm的输入，同时也观察其它fsm的输出。当我们分成一个大的fsm为许多简单fsm，这称为“分解fsm”。但是，fsm通信经常直接根据spec来设计，因为如果实现成单个fsm会是不可实现的大。”

ch11.1：一个灯光闪烁器的例子

1. 示例的要求：
   • 状态机输入一个周期的start时，触发灯光闪烁器的序列，输出为light信号，有on/off两种状态
   • 一个序列闪烁三次
   • 每次闪烁表示为：light=on，6个周期；light=off，4个周期
   • 闪烁序列完成后，fsm变为light=off，等待下一次start触发开始
2. 状态机1：
   • 实现为单个状态机
   • 计算一共会有27个状态；
3. 状态机2：
   • 实现为分解的两个状态机：master和timer
   • master状态机：输出timerLoad信号，控制timer开始；输出timerSelect信号，选择计时时间为6或4；输入信号timerDone，表示timer状态机已完成计时
   • timer状态机：根据master输入的timerLoad、timerSelect开始计时，完成后输出timerDone
4. 状态机3：
   • 优化状态机2，分解为三个状态机：master、timer、counter
   • master状态机：（同上，）另外还有3个信号：输出cntLoad，表示闪烁剩余次数从2开始；输出cntDecr信号，表示timer状态机（经过master状态机）单次闪烁完成，次数可减1；输出cntDone信号，表示闪烁剩余次数归0
   • timer状态机：（同上）
   • counter状态机：根据master输入的cntLoad、cntDecr开始倒计数，闪烁次数归0后后输出timerDone

ch11.2：位1计数(器)的例子: (略)

ch11.3：ready-valid接口

1. ready/valid接口是一个分别在发送端定义data/valid、接收端定义ready信号的简单控制流接口
2. 为了让ready/valid接口可以集成到其它模块，ready和valid都不允许组合性依赖。因为这个接口比较常用，所以chisel定义了DecoupledIO线束，定义类似如下：

       class DecoupledIO [T <: Data] (gen: T) extends Bundle {
            val ready = Input(Bool())
            val valid = Output(Bool())
            val bits = Output(gen)
        }

3. ready/valid接口有一个问题：
   • 即：“ready和valid在全部有效以后是否可能自动清零？”
   • 这个问题可能发生在：发送端的valid或接受端的ready，在使能一段时间后就分别由于别的（意外）事件导致清零；然后数据无效，导致没有数据传输
   • 解决：上述两种行为（情况）是否被允许，并不属于ready/valid接口的内容；但是它需要在接口的具体使用上被定义
4. 方案1：使用IrrevocableIO类
   • 使用DecoupledIO类的时候，chisel没有对ready/valid信号的交互行为做限制条件；
   • 但IrrevocableIO类会有限制条件（只是一个习惯、而不是强制规范？）——是对于接收端的：
   • “一个具体的ReadyValidIO的子类，当valid是高位，ready是低位，保证不会在bits数值改变的一个周期后改变；
     也就是说，一旦valid升高，它就不会变低，直到下一个ready也升高。”
5. 方案2：以AXI接口为参考
   • 它对以下的4个总线操作使用了rady/valid接口：读地址、写地址、读数据、写数据；
   • AXI提出的限制是：一旦ready或valid为高，就直到发生了数据传输才能拉低

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十一、(ch12)硬件生成器

ch12.1：一点scala的内容：

1. val变量：定义一个（硬件组件）表达式，但不能被赋值；（尝试重新赋值会在编译时报错）
2. var变量：定义一个（硬件生成器？）表达式，且能被赋值；
3. val和var变量的类型：隐式类型，由scala编译时自动推断；显式类型，可以类似这样定义：val number:Int=42
4. “:=”：这种赋值是chisel的操作符，而不是scala的操作符；
5. if/else语句：在进行电路生成的scala进行时执行，并不生成硬件复用器（复用器的生成方法是when/.elsewhen/.otherwise和switch/is语句）；

ch12.2.1：使用参数配置：

1. 示例：参数化位宽的加法器

        val add8 = Module(new ParamAdder(8))
        val add16 = Module(new ParamAdder(16))

ch12.2.2：使用类型参数的函数：

1. 示例1：二进一出、io类型支持自定义的复用器

        def myMux[T <: Data](sel: Bool, tPath: T, fPath: T): T = {
            ...
        }

2. 上面的def函数表示：
   • 整个函数头中T表示chisel类型系统的根类型Data
   • 第二个参数tPath和第三个参数fPath都使用T类型
   • 函数的返回值也使用T类型
3. 示例2：二进一出、io类型支持自定义的复用器

        def myMux[T <: Data](sel: Bool, tPath: T, fPath: T): T = {
            val ret = Wire(fPath.cloneType)
            ...
            ret
        }

4. 上面的def函数新增了：
   • 用chisel内置的.cloneType来获取参数的类型，来作为返回值的类型（实际上这个用法很少用；Nutshell代码里就没有）

ch12.2.3：具有类型参数的模块

1. 模块和函数的区别（？）：
   • 模块定义：class xx(xx) extends Module {...}
   • 函数定义：def xx(xx) = {...}
2. 示例：noc芯片（network-on-chip，核间的片上网络路由）

        class NocRouter[T <: Data](data: T, n: Int) extends Module {
            val io = IO(new Bundle {
                val inPort = Input(Vec(n, data))
                val address = Input(Vec(n, UInt(8.W)))
                val outPort = Output(Vec(n, data))
            })
        }
        class Payload extends Bundle {
            val data = UInt(16.W)
            val flag = Bool()
        }
        val router = Module(new NocRouter(new Payload, 2))

3. 上面的示例表示：
   • 定义一个noc芯片，数据输入、输出端口（线束bundle）的类型是参数化、可自定义的（甚至连bundle的组数也是参数化的）
   • noc芯片的输入、输出端口每一组bundle的类型，是通过先定义Bundle类，再把该类作为参数传给模块的（上例即class Payload）

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ch12.2.4：参数化的捆束（Bundle）

1. 当在Vec内部使用bundle时，需要对参数声明为私有的参数化类型？否则会一直使用到最上层调用时传参传来的类型
2. 示例：

        val router = Module(new NocRouter2(new Port(new Payload), 2))
        class NocRouter2[T :< Data](dt: T, n: Int) extends Module {
            val io = IO(new Bundle) {
                ...
                val inPort = Input(Vec(n, dt))
            }
        }
        class Port [T <: Data](private val dt: T) extends Bundle {
            ...
            val address = dt.cloneType //保证这里cloneType的结果就是Port()定义时选用的参数类型T？
        }

ch12.3：生成组合逻辑

1. 从外部读取文本文件来生成逻辑表？
2. 示例：（略）

ch12.4：使用继承

1. 示例：对基本计数器定义一个必有的输出信号tick，然后基于对这个基本计数器的继承，来实现定义多种定时器

        abstract class Ticker (n:Int) extends Module {
            val io = IO(new Bundle {
                val tick = Output(Bool())
            })
        }
        class UpTicker(n:Int) extends Ticker(n) {
            ...
            io.tick := cntReg === N
        }
        class DownTicker(n:Int) extends Ticker(n) {
            ...
            io.tick := cntReg === N
        }
        class NerdTicker(n:Int) extends Ticker(n) {
            ...
            io.tick := false.B
            when(...) {
                io.tick := true.B
            }
        }

2. 顺便给出单元测试示例：PeekPokeTester（实际Nutshell和香山都没有用这个来进行单元测试）

        import chisel3.iotesters.PeekPokeTester
        import org.scalatest._

        class TickerTester[T <: Ticker](dut: T, n: Int) extends PeekPokeTester(dut: T) {
            ...
            step(1)
        }

        class TickerSpec extends FlatSpec with Matchers {

            "UpTicker 5" should "pass" in {
                chisel3.iotesters.Driver(() => new UpTicker(5)) { c =>
                    new TickerTester(c, 5)
                } should be (true)
            }

            "DownTicker 7" should "pass" in{
                chisel3.iotesters.Driver(() => new DownTicker(7)) { c =>
                    new TickerTester(c, 7)
                } should be (true)
            }

            "NerdTicker 11" should "pass" in{
                chisel3.iotesters.Driver(() => new NerdTicker(11)) { c =>
                    new TickerTester(c, 11)
                } should be (true)
            }
        }

执行命令以开始单元测试：sbt "testOnly TickerSpec"

ch12.5：使用函数式编程做硬件生成

1. 将实现了硬件生成的基本函数a作为一个参数，传给另一个函数作为参数b，以被调用来生成多个、或组合的新硬件模块
2. 示例1：将基本的二进一出加法器作为向量操作函数vec的参数，来实现多进一出的加法链（向量加法器）

        def add(a:UInt, b:UInt) = a + b
        val sum = vec.reduce(add)

3. 示例2：（优化）把示例1直接写成一行语句（利用scala通配符"_"）

        val sum = vec.reduce(_ + _)

4. 示例3：（优化）把示例2的组合性延迟降低
   • 上述语句实现的一串加法链会产生多个时钟延迟；
   • 如果我们不信任综合工具会正确重新排列这个加法链，我们可以用chisel的reduceTree方法去生成一个加法器的树
     val sum = vec.reduceTree(_ + _)

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十二、(ch13)示例设计

ch13.1：fifo缓冲器

1. 示例1：单级fifo（寄存器）
   • 单级fifo就是单个支持读写异步操作的数据寄存器
   • 写入侧（enqueueing）的信号包括：输入写控制write、输出满标志full、输入数据din
   • 读出侧（dequeueing）的信号包括：输入读控制read、输出空标志empty、输出数据dout

        class WriterIO(size: Int) extends Bundle {
            val write = Input(Bool())
            val full = Output(Bool())
            val din = Input(UInt(size.W))
        }
        class ReaderIO(size: Int) extends Bundle {
            val read = Input(Bool())
            val empty = Output(Bool())
            val dout = Output(UInt(size.W))
        }
        class FifoRegister(size: Int) extends Module {
            val io = IO(newBundle{
            val enq = new WriterIO(size)
            val deq = new ReaderIO(size)

            val empty::full::Nil = Enum(2) //即使是单级fifo，也是一个小状态机
            val stateReg = RegInit(empty)
            val dataReg = RegInit(0.U(size.W))

            ... //状态机实现
        })

2. 示例2：冒泡fifo（单级fifo的数组的串联）
   • 用scala的Array.Fill(){}来定义单级fifo串联的冒泡fifo
   • 每个相邻单级fifo的输入、输出信号分别相连，以实现自动的数据搬移控制

        class BubbleFifo(size: Int, depth: Int) extends Module {
            val io = IO(new Bundle {
                val enq = new WriterIO(size)
                val deq = new ReaderIO(size)
            })

            val buffers = Array.fill(depth) {Module(new FifoRegister(size))}
            for(i <- 0 until depth - 1) {
                buffers(i+1).io.enq.din := buffers(i).io.deq.dout
                buffers(i+1).io.enq.write := ~buffers(i).io.deq.empty
                buffers(i).io.deq.read := ~buffers(i+1).io.enq.full
            }

            io.enq <> buffers(0).io.enq //Bundle的整体双向互联，可用批量连接运算符"<>"：Bundle中识别为同名的信号val，会互联到一起
            io.deq <> buffers(depth-1).io.deq
        }

ch13.2：一个串口端口

1. 示例1：不带fifo的串口发送端tx
   • 包括：11bit宽的移位寄存器、时钟到波特率的分频值寄存器、移位剩余bit数寄存器

        class Tx(frequency: Int, baudRate: Int) extends Module {
            val io = IO(newBundle{
                val txd = Output(Bits(1.W))
                val channel = newChannel()
        })

        val BIT_CNT = ((frequency+baudRate/2)/baudRate - 1).asUInt()

        val shiftReg = RegInit(0x7ff.U) //移位寄存器：bit0输出到输出引脚tdx，即右移，低bit先发
        val cntReg = RegInit(0.U(20.W)) //分频系数寄存器：从时钟频率到串口波特率的分频
        val bitsReg = RegInit(0.U(4.W)) //移位bit数计数寄存器：从11个bit倒计数到0

        io.channel.ready := (cntReg === 0.U) && (bitsReg === 0.U)
        io.txd := shiftReg(0)

        when(cntReg === 0.U){
            cntReg := BIT_CNT
            when(bitsReg =/= 0.U) { //chisel中“不等于”的运算符是这样表示的："=/="
                val shift = shiftReg>>1
                shiftReg := Cat(1.U,shift(9,0)) //寄存器的移位操作：总是用Cat(新bit值, 其余bit值)来实现的
                bitsReg := bitsReg1.U
            } .otherwise {
                when(io.channel.valid){
                    //two stop bits, data, one start bit 
                    //移位寄存器shiftReg的11bit定义（从右向左看，和波形时序相反）: 1bit start的0、8bit的data、2bit stop的11
                    shiftReg := Cat(Cat(3.U,io.channel.data),0.U)
                    bitsReg := 11.U
                } .otherwise {
                    shiftReg := 0x7ff.U
                }
            }
        } .otherwise {
            cntReg := cntReg - 1.U
            }
        }

2. 示例2：带单级的字节fifo的串口发送端tx
   • （略）
3. 示例3：带单级的word宽fifo的串口发送端tx
   • 略，手册也没给出
4. 示例4：带单级的字节fifo的串口接收端rx
   • （略）

ch13.3：设计fifo中的变量

1. 使用继承来实现不同的fifo队列

ch13.3.1：参数化fifo:（略）

ch13.3.2：重新设计冒泡fifo

1. 示例：使用标准的ready/valid接口来重新定义冒泡fifo，并可以通过chisel数据类型参数化
   • （略）
2. ch13.3.3：double buffer fifo
   • ready/valid接口在ready和valid信号都有效时，会不满足协议的要求，导致fifo不能写入新的数据（？）
   • 通过引入shadow寄存器（影子寄存器）来解决：即使ready信号有效，fifo依然可以被写入，只不过是写到影子寄存器
   • 等ready信号无效后，影子寄存器的数据会被自动写入到fifo
   • 示例：（略）

ch13.3.4：具有寄存存储器的FIFO

ch13.3.5：使用片上存储的FIFO

ch13.4.1：继续探索冒泡fifo

1. 尝试执行demo中的冒泡fifo示例:（略）

ch13.4.2：the UART

1. 尝试执行demo中的uart示例:（略）

ch13.4.3：探索fifo

1. 尝试执行demo中的4深度、word位宽的fifo示例:（略）

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十三、(ch14)设计一个处理器

ch14.1：从alu开始

1. 实现一个简单的累加器，文档有一个对应的示例叫做leros，代码开源在https://github.com/leros-dev/leros
2. 示例：简单的累加器alu
   • alu是个状态机，所有指令中的基础指令组成它的枚举类型定义，这里有8个：nop/add/sub/and/or/xor/ld/shr
   • alu有两个数据输入a/b、一个操作码选择输入op、一个结果输出y
   • 用switch/is结合枚举类型来定义它的基本操作
   • 为了测试这个chisel实现的alu，需要用scala另外实现一个alu，以进行处理结果的对比
   • scala实现的alu，需要被peekpoke调用来运行测试
   • leros项目中运行测试的命令: sbt “test:runMain leros.AluTester”

ch14.2：译码指令（指令译码器）

1. 首先，在指令译码器的scala类和shared包里定义机器码常量；因为想要在leros硬件实现、leros的汇编器、leros的指令集模拟器之间共享这些编码常量
2. 示例：从机器码到alu操作码的转换
   • 定义decode用于输出到alu的bundle，信号包括：使能信号ena、操作码选择func、退出信号exit
   • 定义decode用于输入的信号，只有一个：指令常量UInt(8.W)

ch14.3：汇编指令（指令汇编器）

1. 为leros编写程序时我们需要一个汇编器。但在最开始的时候，我们先hard code一些指令，把它们放到一个可以用来初始化指令存储器的scala数组里
2. 汇编器要实现的效果：
   • 将以下字符串：

         addi 0x3
         addi -1
         subi 2
         ldi 0xab
         and 0x0f
         or 0xc3
     

   • 转换为对应的机器码：

         val prog = Array[Int] (
             0x0903, //addi 0x3
             0x09ff, //addi -1
             0x0d02, //subi 2
             0x21ab, //ldi 0xab
             0x230f, //and 0x0f
             0x25c3, //or 0xc3
             0x0000
         )
     

3. 示例：从字符串到机器码的转换
   • 从外部读取文件，导入保存为数组；里面按行放置汇编指令
   • 汇编器要实现的功能1：识别指令字符串，比如：add、sub、or
   • 汇编器要实现的功能2：能区分汇编语句的参数是寄存器还是立即数
   • 汇编器要实现的功能3：能解析数字（立即数）为统一的无符号整形，包括：十六进制数、有/无符号的十进制数（实际要调用scala的库函数来实现，比如：Integer.parseInt()、String.substring()）
   • 按行解析完成汇编指令的指令、参数部分后，拼接为十六进制的机器码，比如："addi 0x3"的输出结果为0x0903

ch14.4：练习:（略）

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十四、(ch15)贡献chisel

1. （略）

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十五、(ch16)总结

1. （略）

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