SpinalHDL之实用工具（上篇）

本文作为SpinalHDL学习笔记第十三篇，记录使用SpinalHDL的一些实用性语法工具。

SpinalHDL学习笔记总纲链接如下：

SpinalHDL 学习笔记_spinalhdl blackbox-CSDN博客

SpinalHDL的核心定义了许多功能性语法：

• 类型/字面量

• 寄存器/时钟域

• 组件/逻辑区

• 随机访问/只读存储器

• When / Switch / Mux

• BlackBox（在 Spinal 内部集成 VHDL 或 Verilog IP）

• SpinalHDL 到 VHDL 的转换器

然后，通过使用这些功能可以定义数字硬件，并构建强大的库和抽象。这也是 SpinalHDL 相对于其他常用 HDL 的主要优势之一，因为无需了解编译器内部原理即可扩展该语言。

一个很好的例子是SpinalHDL lib，它添加了许多实用程序、工具、总线和方法。

许多工具和实用程序都存在于spinal.lib 中，但有些工具和实用程序已经存在于 SpinalHDL Core 中。

语法	返回类型	描述
widthOf(x : BitVector)	Int	返回 Bits/UInt/SInt 信号的位宽
log2Up(x : BigInt)	Int	返回表示 x 状态所需的位数
isPow2(x：BigInt)	Boolean	如果 x 是 2 的幂，则返回 true
roundUp(that : BigInt, by: BigInt)	BigInt	返回第一个 by 乘以"that"（包含）的值
Cat(x: Data*)	位	连接所有参数，从 MSB 到 LSB，请参阅Cat
Cat(x: Iterable[Data])	位	连接参数, 从 LSB 到 MSB, 参见Cat

Cat

如上所述， Cat 有两个版本。两个版本都连接了它们包含的信号，但有细微的差别：

• Cat(x: Data*) 使用任意数量的硬件信号作为参数。它模拟了其他 HDL 且 MSB 变成了结果Bits 最左端的参数，最右端是 LSB . 换种说法：输入按照参数顺序拼接.

**• Cat(x: Iterable[Data])**接受包含硬件信号的单个 Scala 可迭代集合（Seq / Set / List / ...）。此版本将列表的第一个元素放入 LSB，最后一个元素放入 MSB。

差异主要在于这样的约定： Bits 是从最高索引到最低索引写入的，而列表是从索引 0 开始写入到最高索引的。所有约定中， Cat 将索引 0 放置在 LSB 处。

Scala 复制代码

val bit0, bit1, bit2 = Bool()
val first = Cat(bit2, bit1, bit0)
// is equivalent to
val signals = List(bit0, bit1, bit2)
val second = Cat(signals)

2.克隆硬件数据类型

你可以使用 cloneOf(x) 函数克隆给定的硬件数据类型。它将返回相同 Scala 类型和参数的新实例。

例如：

Scala 复制代码

def plusOne(value : UInt) : UInt = {
// Will provide new instance of a UInt with the same width as ``value``
val temp = cloneOf(value)
temp := value + 1
return temp
}
// treePlusOne will become a 8 bits value
val treePlusOne = plusOne(U(3, 8 bits))

**Note：**如果你在 Bundle 上使用 cloneOf 函数，这个 Bundle 应该是一个 case class ，否则应该在内部重写 clone 函数。

Scala 复制代码

// An example of a regular 'class' with 'override def clone()' function
class MyBundle(ppp : Int) extends Bundle {
val a = UInt(ppp bits)
override def clone = new MyBundle(ppp)
}
val x = new MyBundle(3)
val typeDef = HardType(new MyBundle(3))
val y = typeDef()
cloneOf(x) // Need clone method, else it errors
cloneOf(y) // Is ok

3.将数据类型作为构造函数参数传递

许多可重用硬件需要通过数据类型进行参数化。例如，如果想定义 FIFO 或移位寄存器，则需要一个参数来指定组件所需的有效负载类型。

有两种类似的方法可以做到这一点。

老办法

老方法的一个很好的例子是 ShiftRegister 组件的定义：

Scala 复制代码

case class ShiftRegister[T <: Data](dataType: T, depth: Int) extends Component {
val io = new Bundle {
val input = in (cloneOf(dataType))
val output = out(cloneOf(dataType))
}
// ...
}

以下是实例化该组件的方法：

Scala 复制代码

val shiftReg = ShiftRegister(Bits(32 bits), depth = 8)

如你所见，原始硬件类型直接作为构造参数传递。每次你想创建这种硬件数据类型的新实例时，你需要使用 cloneOf(...) 函数。以这种方式做事并不是超级安全，因为很容易忘记使用 cloneOf。

安全的方法

安全的传递数据类型参数方法，示例如下：

Scala 复制代码

case class ShiftRegister[T <: Data](dataType: HardType[T], depth: Int) extends Component {
val io = new Bundle {
val input = in (dataType())
val output = out(dataType())
}
// ...
}

以下是实例化组件的方法（与之前完全相同）：

Scala 复制代码

val shiftReg = ShiftRegister(Bits(32 bits), depth = 8)

请注意，上述示例中使用了一个 HardType 包装器，它包装了原始数据类型 T，这种做法比"旧方法"更容易使用。因为要创建硬件数据类型的新实例，只需调用 HardType 的 apply 函数（或者换句话说，在类型名后添加括号）。此外，从用户的角度来看，这种机制是完全透明的，因为硬件数据类型可以隐式转换为 HardType。

4.频率和时间

SpinalHDL 有专用语法来定义频率和时间值：

Scala 复制代码

val frequency = 100 MHz // infers type TimeNumber
val timeoutLimit = 3 ms // infers type HertzNumber
val period = 100 us // infers type TimeNumber
val periodCycles = frequency * period // infers type BigDecimal
val timeoutCycles = frequency * timeoutLimit // infers type BigDecimal

对于时间定义，可以使用以下后缀来获取 TimeNumber：

fs、 ps、ns、us、ms、sec、mn、hr

对于时间定义，可以使用以下后缀来获取 HertzNumber：

Hz, KHz, MHz, GHz, THz

TimeNumber 和 HertzNumber 是基于 PhysicalNumber 类，它使用 scala BigDecimal 来存储数字。

5.二进制前缀

SpinalHDL 允许根据 IEC 使用二进制前缀表示法定义整数。

Scala 复制代码

val memSize = 512 MiB // infers type BigInt
val dpRamSize = 4 KiB // infers type BigInt

可以使用以下二进制前缀表示法：

|-------------|--------------------|
| 二进制前缀 | 值 |
| Byte, Bytes | 1 |
| KiB | 1024 == 1 << 10 |
| MiB | 10242 == 1 << 20 |
| GiB | 10243 == 1 << 30 |
| TiB | 10244 == 1 << 40 |
| PiB | 10245 == 1 << 50 |
| EiB | 10246 == 1 << 60 |
| ZiB | 10247 == 1 << 70 |
| YiB | 10248 == 1 << 80 |

当然， BigInt 可以以字节为单位进行打印。例如， BigInt(1024).byteUnit.

Scala 复制代码

val memSize = 512 MiB
println(memSize)
>> 536870912
println(memSize.byteUnit)
>> 512MiB
val dpRamSize = BigInt("123456789", 16)
println(dpRamSize.byteUnit())
>> 4GiB+564MiB+345KiB+905Byte

println((32.MiB + 12.KiB + 223).byteUnit())
>> 32MiB+12KiB+223Byte
println((32.MiB + 12.KiB + 223).byteUnit(ceil = true))
>> 33~MiB

SpinalHDL之实用工具（上篇）

目录：

Cat

2.克隆硬件数据类型

3.将数据类型作为构造函数参数传递

老办法

安全的方法

4.频率和时间

5.二进制前缀