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改变数字硬件设计,实现真正工程化

2017年08月10日 11:27 次阅读

VHDL和Verilog是用于描述可综合数字硬件的两种主流语言。但我们不应忘记,它们最初可不是为了这个目的创建的,而是为了模拟和归档。这个事实加之许多其它语法弱点,引发了许多问题,比如设计参数化能力弱;设计可重用性差;代码冗长、方法繁复;以及使可综合和不可综合特征之间的边界模糊不清。为了应对这些限制和问题,一些新的替代解决方案已经出现,如Bluespec、Chisel、CλaSH、Migen、MyHDL和SpinalHDL等。

以不同方式描述硬件

与VHDL和Verilog一样,SpinalHDL可用于通过定义寄存器和门来描述硬件,SpinalHDL不使用众所周知的事件驱动范式来描述硬件(如VHDL和Verilog),而是使用专为此目的设计的语法。这允许在其声明中区分组合信号与寄存器,并通过定义规则来描述硬件行为。这意味着信号和寄存器可以在相同的条件语句中分配,而这对于“事件驱动”替代方案是不可能的(见图1)。

改变数字硬件设计,实现真正工程化
图1:简单的硬件描述。

语言的所有语法都可用于硬件描述,语法可分为两类。一类是:通过使用专用类型显式(explicitly)定义可综合硬件;另一类是:可用于阐述硬件结构,例如实例循环、功能和类。除此之外,SpinalHDL编译器将执行许多检查,以确保用户设计是合法的,例如:是否缺少组合循环;所有组合分配的完整性、以避免不必要的闩锁指推(inferring unwanted latche);跨时钟域连接的合法性等——这使得SpinalHDL用起来很安全。

但SpinalHDL与VHDL和Verilog的主要不同是其嵌入到通用语言(Scala)中这一事实。由于这种方法,我们得到一个“Meta HDL”,其中高层级部分(类、动态阵列、字典。。.)可用于通过算法手段生成可综合的硬件描述。这提供了非常高的表现力来描述灵活和可重复使用的硬件。实际上,正是它使SpinalHDL有能力以面向对象和功能性编程的方式来操纵所描述设计的每一个元素;它与一个有能力的标准库结合起来,从而在元硬件描述和阐述能力方面获得了出乎意料的能力,远超VHDL、Verilog和SystemVerilog所能(见图2)。

改变数字硬件设计,实现真正工程化
图2:使用抽象实现寄存器库(register bank)。

SpinalHDL编译器能够将用户编写的硬件描述转换为人类可读和可综合的VHDL/Verilog网表(正如大多数原理图输入工具贯穿所用),这使得它已经与行业中使用的大多数EDA工具兼容。

此外,目标语言/EDA工具不须本地支持Spinal-HDL提供的所有高级功能(例如类型和数据结构参数化),在被解压缩/展开到生成的VHDL/Verilog网表前,在SpinalHDL编译器内部得以支持、解决(见图3)。

改变数字硬件设计,实现真正工程化
图3:仲裁管道的实现。

未来展望

作为这些概念的现实演示者,我们使用SpinalHDL实现了一款名为“Pinsec”的小型SoC,它集成了RISC-V CPU、SDRAM控制器、嵌入式RAM、GPIO、定时器、UART、VGA和JTAG调试接口,由AXI4和APB3互连全部连接在一起(见图4)。

改变数字硬件设计,实现真正工程化
图4:Pinsec SoC框图。

该演示表明,可非常容易地实现设计的顶层,特别是在涉及总线互连的参数化和实例化时。与传统方法不同,SpinalHDL只需几行代码就能搞定,从而大大提高了可读性和生产率。例如,将新外设连接到APB互连只需要一行参数化代码(见图5)。

改变数字硬件设计,实现真正工程化

图5:Pinsec的总线桥和所有APB3总线构造的顶层实例化。

另一个有趣的演示是RISC-V CPU(名为VexRiscv)的第二次迭代,演示了使用SpinalHDL的先进元硬件描述功能带来的增益。首先,CPU顶层是一个空白骨架,它只提供一些阐述服务、作为信号通过各阶段(stage)的自动流水线、以及各阶段的仲裁接口。

与一个允许在CPU顶层注入硬件的插件注册系统相结合,该方法支持——可以具有相同功能的多个变体、而无需将其集成到CPU代码中的——非常灵活的CPU架构。插件可从最简单的事情(例如程序计数器或整数ALU)到最复杂的操作(例如通过L1缓存的加载和存储支持)。

插件之间的合作也可能非常复杂。例如,所有插件都可以发布新的指令操作码,以及如何由指令解码器进行解码。

然后,指令解码器将使用与SpinalHDL元硬件功能相结合的Quine-Mc Cluskey算法来生成最小指令解码逻辑。

结论

使用SpinalHDL是改变数字硬件设计愿景并实现真正工程化的一种体验。凭借其所有功能,它允许芯片设计人员描述优雅和可重复使用的硬件,而没有通常使用的HDL(如VHDL、Verilog甚至System-Verilog)的繁琐和限制。它也证明了使用软件工程技术在生成的RTL中没有任何开销就可详细描述硬件结构的可行性和收益。该语言及其参考编译器也是完全免费和开源的。

最后,请注意:上述示例中使用的所有功用和类,如Stream、RGB、队列、Apb3Decoder、AxiLite4和AxiLite4SlaveFactory都不是Spinal-HDL语言中提供的功能,而是由标准库使用其常规语法提供。换句话说,可以通过实现新的库、抽象层和可从根本上改善硬件描述表现力的工具来扩展语言本身;也可在不忽视抽象硬件的条件下、通过引入新的概念来扩展语言(因为这些库仍然在RTL域内实现)。

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发表于 2017-12-20 06:32 4880次阅读
2017年共享单车公司倒闭频繁,剩下的还会远吗?

全球人工智能初创公司盘点TOP100

在调查了全球2000多家创业公司,入选率仅5%的情况下,出门问问、寒武纪、今日头条、旷视科技、商汤科...

发表于 2017-12-20 06:31 3533次阅读
全球人工智能初创公司盘点TOP100

Verilog/VHDL语法学习是掌握基本代码设...

无论是VHDL还是Verilog,建议初学者先掌握其中一门。

发表于 2017-12-19 13:09 1348次阅读
Verilog/VHDL语法学习是掌握基本代码设...

全硬件TCP/IP协议栈学习笔记(第四天:全硬件...

做了许多天的网络协议学习,懵懵懂懂了解了点,索性打开说明书开始模块的学习 之前三天的学习都是在协议栈...

发表于 2017-12-18 10:27 1467次阅读
全硬件TCP/IP协议栈学习笔记(第四天:全硬件...

共享单车中的智能锁,技术亮点全在这!

共享单车已经成为了中国新四大发明之一,被输往了世界上很多城市。在我看来,虽然共享单车的实现并不复杂,...

发表于 2017-12-18 10:05 3009次阅读
共享单车中的智能锁,技术亮点全在这!

FPGA设计思想,速度和面积互换原则不可忽视

流水线设计可以从某种程度上提高系统频率。。前提是:设计可以分为若干步骤进行处理,而且整个数据处理的过...

发表于 2017-12-18 09:41 1621次阅读
FPGA设计思想,速度和面积互换原则不可忽视

2020年每一款新型软件产品都将引入AI

越来越多的初创企业及主流厂商皆宣称将提供AI相关产品,但其中却缺少能够真正帮助买家理清需求的差异化因...

发表于 2017-12-18 09:16 2608次阅读
2020年每一款新型软件产品都将引入AI

小米生态链企业华米发布AMAZFIT智能运动手表...

12月12日,华米科技召开新品发布会网络直播,正式发布了AMAZFIT智能运动手表2代。更有意思的是...

发表于 2017-12-15 11:06 3416次阅读
小米生态链企业华米发布AMAZFIT智能运动手表...

d触发器verilog描述

触发器是一个具有记忆功能的,具有两个稳定状态的信息存储器件,是构成多种时序电路的最基本逻辑单元,也是...

发表于 2017-12-12 16:47 303次阅读
d触发器verilog描述

玩转Micro:bit,一款可以塞进口袋的超迷人...

自Raspberry Pi 推出以来,就陆续有不少同类的产品出来让更多人能以低成本学习编程。BBC对...

发表于 2017-12-11 14:35 3056次阅读
玩转Micro:bit,一款可以塞进口袋的超迷人...

基于边界扫描技术的难题提出了MERGE法边界扫描...

雷达,作为一种重要的军事武器装备,在军事上将其形象的比喻成作战指挥员的眼睛,在维护国家安全及领土完整...

发表于 2017-12-11 10:29 119次阅读
基于边界扫描技术的难题提出了MERGE法边界扫描...

高速数字通讯应用中的电平标准详解

ECL即射极耦合逻辑(Emitter Coupled Logic)采用的是差分结构输出,并需要负电源...

发表于 2017-12-11 09:49 1023次阅读
高速数字通讯应用中的电平标准详解

verilog实现定时器函数

使用Verilog描述硬件的基本设计单元是模块(module)。构建复杂的电子电路,主要是通过模块的...

发表于 2017-12-08 17:20 289次阅读
verilog实现定时器函数

物联网技术形态:硬件与软件

对于非物联网相关专业的人来说,物联网犹如一个黑箱。他们阅读物联网相关的文章,犹如“咀嚼”天书,其中的...

发表于 2017-12-06 06:49 3028次阅读
物联网技术形态:硬件与软件

智能指环部分功能比肩手机,可打电话和发送邮件

随着智能科技的发展以及传感器等硬件的进步,人们正倾向于使用更小的智能产品。近期,美国科学家开发出了一...

发表于 2017-12-04 14:46 271次阅读
智能指环部分功能比肩手机,可打电话和发送邮件

亚稳态的原理、起因、危害、解决办法及影响和消除仿...

亚稳态是指触发器无法在某个规定时间段内达到一个可确认的状态。当一个触发器进入亚稳态时,既无法预测该单...

发表于 2017-12-02 10:40 1685次阅读
亚稳态的原理、起因、危害、解决办法及影响和消除仿...

物联网产业的五大核心发展详解

物联网的三个核心环节在于零部件、整机和内容及运维服务,生态圈的投资机会主要在两类公司:一类是采用硬件...

发表于 2017-12-01 15:11 1815次阅读
物联网产业的五大核心发展详解

预测物联网未来趋势,六大方向明显!

2016-2017年,物联网的发展趋势得到了广泛的接纳。2018年,更多的想法和复杂的问题将被解决,...

发表于 2017-12-01 09:17 4044次阅读
预测物联网未来趋势,六大方向明显!

小米智能硬件怎么样,被称全球最大硬件开放IoT平...

目前,小米官网已经有超过100款智能硬件产品在售。随着小米智能家庭APP——米家APP的上线,非小米...

发表于 2017-11-29 14:06 290次阅读
小米智能硬件怎么样,被称全球最大硬件开放IoT平...

RF电路和数字电路设计中常见问题

单片射频器件大大方便了一定范围内无线通信领域的应用,采用合适的微控制器和天线并结合此收发器件即可构成...

发表于 2017-11-25 13:53 141次阅读
RF电路和数字电路设计中常见问题

一种基于FPGA的真随机数发生器设计与实现

本文尝试了一种用纯数字电路实现的TRNG结构,且不使用诸如PLL等特殊资源,便于设计由FPGA验证移...

发表于 2017-11-24 11:33 237次阅读
一种基于FPGA的真随机数发生器设计与实现

数字电路中如何避免产生不必要的锁存器方法解析

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路,或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑...

发表于 2017-11-24 10:55 303次阅读
数字电路中如何避免产生不必要的锁存器方法解析