第1章：引言

本书介绍了一种现代硬件构造语言 Chisel，用于数字系统设计。它与传统数字设计教材的主要区别在于，本书关注更高的抽象层次，使设计者能够在较短时间内构建更复杂的交互式数字系统。

目标读者

本书及 Chisel 面向两类开发者：

硬件设计者：熟悉 VHDL 或 Verilog 的硬件设计者，通常还借助 Python、Java 或 Tcl 等语言生成硬件。通过 Chisel，可以将硬件生成直接整合到一个语言中，实现单一语言的硬件构造。
软件程序员：对硬件设计感兴趣的软件工程师，尤其是考虑到未来芯片将包含可编程硬件以加速程序运行。Chisel 也适合作为初学者的第一门硬件描述语言。

Chisel 的特点与优势

Chisel 将面向对象编程和函数式编程等软件工程的进步引入数字设计领域，既可以在寄存器传输级（RTL）描述硬件，又可以编写硬件生成器（Hardware Generators）。在现代数字设计中，硬件已普遍采用硬件描述语言来表述，而不再依赖 CAD 工具手动绘制。传统的 Verilog 和 VHDL 虽然功能强大，但它们设计年代久远，带有大量遗留特性，在语言中可综合为硬件的构造也存在一定限制。

Chisel 采用 Verilog 作为测试和综合的中间语言，但其核心优势在于利用 Scala 的表达能力。Scala 是一种易于扩展的语言，Chisel 从中继承了许多特性，使其不仅简单且功能强大。

学习准备与本书定位

本书并非通用的数字设计入门教材，不涵盖如 CMOS 晶体管构建门电路等基础知识。它的目标是教授当前实践中用于描述 ASIC 和 FPGA 设计的数字设计方法。阅读本书需要具备以下基础：

基本知识：布尔代数和二进制数系统的基础。
编程经验：任何编程语言的基本使用技能。
命令行工具：对 CLI（如终端或 Unix shell）的基本了解。

无需 Verilog 或 VHDL 的背景知识，Chisel 可作为初学者学习硬件描述语言的起点。

Chisel 的学习特点

Chisel 本身是一种小型语言，其基础构造可以在数天内掌握。本书也不长，专注于数字设计与 Chisel 的教程，而非 Chisel 语言参考手册或完整芯片设计的全面介绍。所有代码示例均经过编译和测试，可从书的 GitHub 仓库获取，确保代码无语法错误，并展示了良好的硬件描述风格。

书籍阅读优化

本书针对平板电脑（如 iPad）或笔记本电脑阅读进行了优化，文本中嵌入了进一步阅读的链接（如 Wikipedia）。

1.1 安装 Chisel 和 FPGA 工具

Chisel 是一个 Scala 库，安装 Chisel 和 Scala 最简单的方法是使用 Scala 构建工具 sbt。Scala 依赖 Java JDK 1.8 或更高版本。由于 Oracle 修改了 Java 的许可协议，建议安装 AdoptOpenJDK 提供的 OpenJDK。

详细的安装步骤可参考 Chisel Lab 提供的 Setup.md 文件，第一部分讲解了如何在 IntelliJ 中打开现有 Chisel 项目。

1.1.1 macOS

在 macOS 上安装 OpenJDK 8（或 11）：

使用 Homebrew 安装 sbt 和 git：
bash
```
brew install sbt git
```
安装 GTKWave 和 IntelliJ（社区版）。
导入项目时，选择之前安装的 JDK。

1.1.2 Linux/Ubuntu

在 Ubuntu 上安装 Java 和常用工具：

bash

sudo apt install openjdk-8-jdk git make gtkwave

由于 sbt 尚未作为可直接安装的 Debian 包发布，需要参考 sbt 的官方网站完成安装。

Note补充：在 VS Code 中运行 Scala 程序需要配置 Scala 的开发环境和工具链。以下是详细的步骤：
1. 安装必要的工具
1.1 安装 JDK
Scala 运行在 JVM 上，需要安装 JDK。
下载并安装 OpenJDK 或 Oracle JDK。
配置环境变量 JAVA_HOME，并确保命令行可以运行 java和 javac：
bash
java -version
javac -version
1.2 安装 Scala
下载并安装 Scala：
使用 Scala 官网提供的安装包。
或通过 Coursier 安装：
bash
curl -fL https://get.coursier.io | bash
cs setup
cs install scala
验证安装：
bash
scala -version
1.3 安装 SBT
SBT（Scala Build Tool）是 Scala 的构建工具，用于编译和运行程序。
安装 SBT：
SBT 官网提供安装指南。
或通过包管理工具安装：
Ubuntu：
bash
sudo apt-get install sbt
macOS：
bash
brew install sbt
验证安装：
bash
sbt sbtVersion
1.4 安装 VS Code 和 Metals 插件
安装 VS Code：VS Code 下载。
安装 Metals 插件：
打开 VS Code，进入扩展市场（Ctrl+Shift+X）。
搜索 "Metals" 并安装。
2. 创建和运行一个 Scala 项目
2.1 创建一个新的 Scala 项目
打开终端，运行：
bash
sbt new scala/hello-world.g8
按提示输入项目名称，例如 hello-scala。
SBT 会生成一个标准的 Scala 项目结构。
进入项目目录：
bash
cd hello-scala
2.2 在 VS Code 中打开项目
在 VS Code 中打开项目目录：
bash
code .
启动 Metals：
VS Code 会提示 "Import build"，点击 "Import build"。
Metals 会索引项目并配置 IntelliSense。
2.3 编辑代码
打开 src/main/scala/example/Hello.scala 文件。
修改或添加代码：
scala
object Hello {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    println("Hello, Scala with VS Code!")
  }
}
2.4 编译和运行程序
在终端运行：
bash
sbt run
或者直接在 VS Code 中：
点击 "Run" 按钮（右上角的绿色三角形）。
或使用快捷键（F5）。
3. 直接运行单个 Scala 文件（简单程序）
如果只想运行单个 Scala 文件，而不需要 SBT 项目结构：
创建一个新的 Scala 文件：
在 VS Code 中创建文件，例如 Hello.scala。
添加以下代码：
scala
object Hello extends App {
  println("Hello, Scala!")
}
在终端运行：
bash
scala Hello.scala
4. 常见问题与解决方法
4.1 "Java not found" 错误
确保已安装 JDK，并正确配置 JAVA_HOME 环境变量。
在终端运行：
bash
echo $JAVA_HOME
java -version
4.2 "Import build failed"
确保 SBT 和 Metals 已正确安装。
删除 .metals 和 .bloop 文件夹，然后重新导入项目。
4.3 VS Code 无法识别 Scala
确保 Metals 插件已启用。
检查 VS Code 的 Java 和 Metals 配置（在 settings.json中）：
json
{
  "metals.javaHome": "/path/to/your/java",
  "metals.serverVersion": "latest.snapshot"
}
5. 总结
工具链：
安装 JDK、Scala 和 SBT。
配置 VS Code 和 Metals 插件。
项目结构：
使用 SBT 创建标准项目结构。
或直接运行单个 Scala 文件。
运行程序：
使用 SBT 管理依赖和编译。
通过 VS Code 的 Metals 提供的 IntelliSense 和运行功能，提高开发效率。
按照以上步骤，你可以轻松在 VS Code 中编写并运行 Scala 程序，同时借助 Metals 和 SBT 的功能，高效开发复杂的 Scala 项目。

1.1.3 Windows

在 Windows 上：

从 AdoptOpenJDK 安装 OpenJDK（8 或 11）。
安装 GTKWave 和 IntelliJ（社区版）。
使用 Windows 安装程序安装 sbt（参考 sbt 官网）。
安装 git 客户端。

1.1.4 FPGA 工具

构建 FPGA 硬件需要综合工具。主要 FPGA 厂商 Intel 和 AMD 提供免费版本的工具，分别是：

Intel：Quartus Prime Lite Edition
AMD：Vivado Design Suite WebPACK Edition

这些工具适用于 Windows 和 Linux，但不支持 macOS。此外，F4PGA 提供了针对特定 FPGA 的开源综合工具，是一种新选择。

1.2 Hello World

每本编程语言的书籍通常都会以一个最小示例开始，即著名的 Hello World 示例。以下代码展示了一个简单的 Scala 示例：

scala

object HelloScala extends App {
  println("Hello Chisel World!")
}

通过 sbt 编译和执行这段代码，可以得到预期的输出：

bash

$ sbt run
[info] Running HelloScala
Hello Chisel World!

然而，这段代码实际上只是标准的 Scala 程序，而非硬件设计的代表性 Hello World 示例。它并未生成硬件，也不是 Chisel 的实际用法。

1.3 Chisel 的 Hello World

硬件设计中的 Hello World 示例是什么？它通常被定义为最小且可见的有用设计。在硬件设计中，闪烁的 LED 被广泛认为是硬件领域的 Hello World 示例。当 LED 能够闪烁时，意味着环境配置已经正确，可以继续解决更复杂的问题。

下面是一个用 Chisel 描述的 LED 闪烁示例（见代码清单 1.1）。虽然目前无需理解其细节，但可以了解以下核心逻辑：

硬件电路通常以高频率时钟（如 50 MHz）运行。
为实现可见的闪烁效果，需要一个计数器将时钟频率降低到 Hz 范围。
在示例中，当计数器从 0 计到 25000000 - 1 时：
- 翻转闪烁信号（blkReg := ˜blkReg）。
- 重置计数器（cntReg := 0.U）。

该硬件设计使 LED 以 1 Hz 的频率闪烁。

代码清单 1.1: 用 Chisel 实现的硬件 Hello World

scala

class Hello extends Module {
  val io = IO(new Bundle {
    val led = Output(UInt(1.W))
  })

  val CNT_MAX = (50000000 / 2 - 1).U
  val cntReg = RegInit(0.U(32.W))
  val blkReg = RegInit(0.U(1.W))

  cntReg := cntReg + 1.U

  when(cntReg === CNT_MAX) {
    cntReg := 0.U
    blkReg := ~blkReg
  }

  io.led := blkReg
}

该设计中：

CNT_MAX 定义了计数器的最大值（50 MHz 时钟周期的一半）。
cntReg 是一个 32 位寄存器，用于记录计数。
blkReg 是一个 1 位寄存器，控制 LED 的闪烁状态。
当计数器达到最大值时，计数器复位，且 LED 状态翻转。

1.4 为 Chisel 选择 IDE

本书对开发环境或编辑器没有强制要求，仅需通过 sbt 结合您喜欢的编辑器即可轻松学习基础内容。在传统实践中，命令行的提示符 $ 表示在 shell/终端中执行的命令（无需实际键入 $）。例如：

bash

ls

不过，使用集成开发环境（IDE）可以显著提高开发效率，因为 IDE 会在后台运行编译器，提供实时的代码反馈。由于 Chisel 是 Scala 的一个库，支持 Scala 的 IDE 同样支持 Chisel。以下是几种推荐的 IDE：

IntelliJ

安装 Scala 插件。
通过 File > New > Project from Existing Sources...，选择项目中的 build.sbt 文件创建项目。

Eclipse

使用 sbt 生成 Eclipse 项目：
bash
```
sbt eclipse
```
将生成的项目导入 Eclipse（需要安装 sbt 的 Eclipse 插件）。

Visual Studio Code

安装 Scala Metals 扩展。
在扩展栏搜索 "Metals"，安装 Scala 支持。
使用 File > Open 打开基于 sbt 的项目文件夹。

通过以上内容，您已了解 Chisel 的 Hello World 示例以及如何配置开发环境，这为后续深入学习奠定了坚实的基础。

1.5 源代码获取与电子书功能

本书是开源项目，托管在 GitHub 仓库 schoeberl/chisel-book。书中展示的所有 Chisel 代码示例都包含在该仓库中，所有代码均通过编译器验证，确保没有语法错误。此外，大部分示例还附带了测试平台（testbench）。这些代码均从源码中自动提取，方便用户直接使用或进一步探索。

开源代码资源

代码仓库：本书的代码示例可在 chisel-examples 和 ip-contributions 仓库中找到更大的 Chisel 示例集合。
反馈与改进：如果您发现书中的错误或排版问题，最便捷的方式是通过 GitHub 提交 Pull Request。您也可以通过创建 GitHub Issue 或发送电子邮件提供反馈。

教学资源

本书的 GitHub 仓库还包含基于 Latex 的课程幻灯片，这些幻灯片用于丹麦技术大学为期 13 周的《数字电子学》课程。这些资源还包括基于 Chisel 的实验练习。如果您正在教授 Chisel 数字设计课程，可以根据需求自由调整幻灯片和实验内容。所有材料均为开源，您可以使用以下命令一键生成书籍和幻灯片：

bash

make

此命令会编译所有代码、运行测试、提取代码并使用 Latex 生成 PDF 文档。

电子书版本特点

本书提供免费的 PDF 电子书版本以及亚马逊上销售的传统纸质版。电子书版优化了平板电脑（如 iPad）上的阅读体验，并包含许多指向额外资源和维基百科条目的链接。这些链接提供了书中未直接涵盖的背景知识（如二进制数系统）。

1.6 延伸阅读

以下是一些推荐的数字设计与 Chisel 相关资源：

数字设计基础

《Digital Design: A Systems Approach》 作者：William J. Dally 和 R. Curtis Harting。这本教材提供了基于 Verilog 或 VHDL 的数字设计方法。

Chisel 官方与相关文档

Chisel 官网 下载 Chisel 并获取官方教程的起点。
丹麦技术大学 Digital Electronics 2 课程网站 提供基于 Chisel 的 13 周课程幻灯片，相关源代码也包含在本书仓库中，可根据教学需求调整使用。
schoeberl/chisel-lab 包含适用于《Digital Electronics 2》课程的 Chisel 练习，同样适合自学者使用。
Chisel 空项目模板 提供一个包含简单硬件（如加法器）和测试的极简项目，适合作为起点创建新的 GitHub 仓库。
Chisel3 Cheat Sheet 用一页总结 Chisel 的主要构造，方便查阅。
Scott Beamer 的 Agile Hardware Design 课程 提供高级 Chisel 示例，包含可执行的 Jupyter notebook 源代码。
ChiselTest 仓库 提供 Chisel 的测试工具和最新的测试框架资源。
Generator Bootcamp 聚焦硬件生成器的 Chisel 课程，以 Jupyter notebook 形式提供。
Chisel Tutorial 提供一个带有测试器和解决方案的小型练习项目。尽管有些内容略显过时，但仍具参考价值。
Chisel 风格指南 作者：Christopher Celio，提供了关于 Chisel 编码风格的建议。

通过本章节，您可以获取相关代码资源并深入探索 Chisel 的应用。这些资源覆盖了从基础到进阶的各类内容，既适合教学，也适合自学。

1.7 实践练习

每章的最后都会包含实践练习，通过动手操作巩固所学内容。本章的练习目标是使用 FPGA 开发板实现一个闪烁的 LED，这可以视为硬件设计的 “Hello World” 示例。

第一步：获取代码

克隆或分叉 Chisel 示例代码库：

bash

git clone https://github.com/schoeberl/chisel-examples.git
cd chisel-examples/hello-world/

查看 src/main/scala/Hello.scala 文件中的 Chisel 代码，了解如何描述闪烁的 LED。

第二步：编译生成 Verilog 文件

使用以下命令编译 Chisel 代码：

bash

sbt run

首次运行时，工具会自动下载 Chisel 相关组件。编译完成后，将生成一个名为 Hello.v 的 Verilog 文件。

在查看生成的 Verilog 文件时，可以注意以下几点：

输入与输出：
- Verilog 文件中包含两个输入信号：clock 和 reset，以及一个输出信号：io_led。
- Chisel 模块中并未显式声明 clock 和 reset 信号，这些信号由 Chisel 自动生成并管理。
自动化时钟与复位连接：
- Chisel 提供了寄存器组件，这些组件会自动连接时钟和复位信号（如果需要），简化了硬件描述。

第三步：配置 FPGA 并运行

要在 FPGA 上运行代码，需要以下步骤：

使用 FPGA 综合工具（如 Intel Quartus 或 AMD Vivado）设置 FPGA 项目文件，分配引脚，编译 Verilog 代码，并生成位流文件（bitfile）。
将生成的位流文件加载到 FPGA 上。具体操作请参阅 FPGA 工具的用户手册。

示例代码库中的 quartus 文件夹包含针对多个常用 FPGA 开发板（如 DE2-115）的预配置 Quartus 项目：

如果您的开发板受支持，可以直接在 Quartus 中打开相关项目。
点击“播放”按钮编译项目，使用“程序”按钮将位流文件加载到 FPGA，完成后应该可以看到一个 LED 闪烁。

验证与调整

如果 LED 未闪烁：
- 检查 reset 信号的状态（例如，DE2-115 上的 reset 输入连接到 SW0 开关）。
修改闪烁频率：
- 将闪烁频率调快或调慢，观察其效果。
- 不同的闪烁频率和模式可以传递不同的“情绪”：
  - 慢速闪烁：表示系统正常。
  - 快速闪烁：表示报警状态。

扩展练习

生成特殊闪烁模式：
- 设计一个 LED 闪烁模式：LED 每秒亮 200 毫秒。
- 为此，您需要增加一个新的常量，并通过该常量控制 blkReg 寄存器的状态变化。
- 思考：这种模式传递的情绪是警报状态还是“生存信号”？
模拟运行（无 FPGA 开发板）：
- 如果没有 FPGA 板，可通过 Chisel 仿真运行闪烁 LED 示例。
- 为缩短仿真时间，将 Chisel 代码中的时钟频率从 50000000 降低到 50000。
- 执行以下命令运行仿真：
  bash
```
sbt test
```
- 仿真器将在一百万个时钟周期内运行，具体的闪烁频率取决于仿真速度以及您的计算机性能。可能需要调整时钟频率以观察到模拟的闪烁效果。

通过完成以上练习，您将掌握 Chisel 基础开发流程、硬件综合及 FPGA 部署操作，为后续学习复杂设计打下坚实基础。

第1章：引言 ​

目标读者 ​

Chisel 的特点与优势 ​

学习准备与本书定位 ​

Chisel 的学习特点 ​

书籍阅读优化 ​

1.1 安装 Chisel 和 FPGA 工具 ​

1.1.1 macOS ​

1.1.2 Linux/Ubuntu ​

1. 安装必要的工具 ​

1.1 安装 JDK ​

1.2 安装 Scala ​

1.3 安装 SBT ​

1.4 安装 VS Code 和 Metals 插件 ​

2. 创建和运行一个 Scala 项目 ​

2.1 创建一个新的 Scala 项目 ​

2.2 在 VS Code 中打开项目 ​

2.3 编辑代码 ​

2.4 编译和运行程序 ​

3. 直接运行单个 Scala 文件（简单程序） ​

4. 常见问题与解决方法 ​

4.1 "Java not found" 错误 ​

4.2 "Import build failed" ​

4.3 VS Code 无法识别 Scala ​

5. 总结 ​

1.1.3 Windows ​

1.1.4 FPGA 工具 ​

1.2 Hello World ​

1.3 Chisel 的 Hello World ​

代码清单 1.1: 用 Chisel 实现的硬件 Hello World ​

1.4 为 Chisel 选择 IDE ​

IntelliJ ​

Eclipse ​

Visual Studio Code ​

1.5 源代码获取与电子书功能 ​

开源代码资源 ​

教学资源 ​

电子书版本特点 ​

1.6 延伸阅读 ​

数字设计基础 ​

Chisel 官方与相关文档 ​

1.7 实践练习 ​

第一步：获取代码 ​

第二步：编译生成 Verilog 文件 ​

第三步：配置 FPGA 并运行 ​

验证与调整 ​

扩展练习 ​

第1章：引言

目标读者

Chisel 的特点与优势

学习准备与本书定位

Chisel 的学习特点

书籍阅读优化

1.1 安装 Chisel 和 FPGA 工具

1.1.1 macOS

1.1.2 Linux/Ubuntu

1. 安装必要的工具

1.1 安装 JDK

1.2 安装 Scala

1.3 安装 SBT

1.4 安装 VS Code 和 Metals 插件

2. 创建和运行一个 Scala 项目

2.1 创建一个新的 Scala 项目

2.2 在 VS Code 中打开项目

2.3 编辑代码

2.4 编译和运行程序

3. 直接运行单个 Scala 文件（简单程序）

4. 常见问题与解决方法

4.1 "Java not found" 错误

4.2 "Import build failed"

4.3 VS Code 无法识别 Scala

5. 总结

1.1.3 Windows

1.1.4 FPGA 工具

1.2 Hello World

1.3 Chisel 的 Hello World

代码清单 1.1: 用 Chisel 实现的硬件 Hello World

1.4 为 Chisel 选择 IDE

IntelliJ

Eclipse

Visual Studio Code

1.5 源代码获取与电子书功能

开源代码资源

教学资源

电子书版本特点

1.6 延伸阅读

数字设计基础

Chisel 官方与相关文档

1.7 实践练习

第一步：获取代码

第二步：编译生成 Verilog 文件

第三步：配置 FPGA 并运行

验证与调整

扩展练习