Spade 硬件描述语言

Spade Hardware Description Language

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Spade 是一种受现代软件语言启发的硬件描述语言，旨在简化硬件设计。它拥有流水线支持、强大的类型系统（包括枚举和模式匹配）、友好的编译器和错误信息，以及用于硬件构造的抽象。Spade 允许开发者使用类似软件编程的风格进行硬件设计，并提供工具链，例如测试框架和构建工具。该语言目前处于早期开发阶段，由瑞典 Linköping University 开放源代码项目开发，并采用 EUPL-1.2、MIT 和 Apache 许可协议。

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Spade：一种受现代软件语言启发的硬件描述语言

一流的流水线支持
强大的受 Rust 启发的类型系统
友好的编译器和出色的错误信息
常见硬件构造的抽象
默认为组合逻辑，具有显式寄存器
可爱的吉祥物

在浏览器中尝试 Spade 📚 文档

// 一个支持 Add, Sub, Set 和 Jump 的三级流水线 CPU
pipeline(3) cpu(...) -> Option<int<32>> {
let stall = stage(+1).is_jump;
let pc = inst program_counter(
      clk, rst,
      stall,
stage(execute).jump_target
    );
reg;
let insn = inst read_progmem(clk, pc);
let is_jump = is_jump(insn);
let insn = if stage(+1).is_jump {NOP} else {insn};
reg;
'execute
let (opa, opb) = inst regfile(
      clk, insn, stage(writeback).result
    );
let jump_target = match insn {
      Instruction::Jump(target) => Some(target),
_ => None;
    };
let alu_result = alu(insn, opa, opb);
reg;
'writeback
let result = match insn {
      Instruction::Add(_, _, _) => Some(alu_result),
      Instruction::Sub(_, _, _) => Some(alu_result),
      Instruction::Set(_, _) => Some(alu_result),
      Instructions::Jump(_) => None
    };
    result
}

Spade
- 主要特性
- 使用 Spade
- 出版物
- 演讲
- 开发
许可协议

Spade

Spade 是一种新的硬件描述语言，旨在使硬件描述更容易且不易出错。它通过借鉴软件编程语言的经验，并添加对常见硬件构造的语言级别支持来实现这一点，所有这些都不会损害对所生成硬件的低级别控制。

主要特性

语言级别的流水线

流水线是 Spade 中的一等公民，使得重新计时和重新流水线化变得非常简单。reg 将代码分隔到各个阶段，这意味着您无需手动定义流水线寄存器，并且行为与物理实现分离。

当您需要更新设计以满足时序要求时，只需添加或移动 reg 语句即可。编译器足够智能，可以确定这些更改何时会影响实例化模块的时序，并告诉您在哪里更新代码以保持原始行为。

pipeline(4) X(clk: clk, a: int<32>, b: int<32>) -> int<64> {
let product = a * b;
reg * 3;
let result = f(a, product);
reg;
    result
}

对于具有反馈的更复杂的流水线（例如处理器数据路径），重新计时变得不那么简单，但是能够推理阶段中的信号而不是单个寄存器仍然非常有帮助。

类型和枚举

Spade 具有强大的类型系统，包括结构体、数组、元组和称为 enums 的 和类型 。强大的类型系统使与外部或内部模块的互操作更容易，并且意味着您可以放心地重构代码。编译器会告诉您哪些更改会影响代码的行为。

枚举尤其重要：与 C 和 Verilog 的枚举不同，它们可以具有关联的有效载荷。

您可以使用 Option 枚举来建模可能可用或不可用的值：

enum Option<T> {
Some(val: T),
None
}

或者为什么不建模 CPU 的指令集？

enum Insn {
  Set { dreg: int<5>, val: int<32> },
  Add { dreg: int<5>, lhs: int<5>, rhs: int<5> },
  Sub { dreg: int<5>, lhs: int<5>, rhs: int<5> },
  Jump { target: int<32> }
}

编译器确保只有当值属于正确的类型时才能访问字段。例如，如果指令是 Jump，则无法访问 dreg 字段。

模式匹配

枚举与模式匹配配合得很好，模式匹配允许您检查条件并轻松地将子值绑定到变量。

您可以轻松构建一个 ALU：

fn alu(insn: Insn, rs1: int<32>, rs2: int<32>) -> int<32> {
let adder_result = match insn {
    Insn::Add(_, _, _) => rs1 + rs2,
    Insn::Sub(_, _, _) => rs1 - rs2,
    Insn::Set(_, val) => sext(val),
    Insn::Jump(_) => 0,
  };
trunc(adder_result)
}

或者选择两个值中的第一个，如果都不存在则选择 0：

let result = match (a, b) {
  (Some (x), _) => x,
  (_, Some(x)) => x,
_ => 0
}

编译器确保涵盖所有情况。例如，如果您向 Insn 类型添加新指令，它将强制您在 ALU 中处理这种情况。

类型推断

Spade 具有强大的类型推断功能，可让您获得静态类型的好处，而无需进行任何类型标注。

良好的错误消息

编译器应该是您的朋友。错误消息会为您提供尽可能多的信息

error: Match branches have incompatible type
30 +-Insn::Add(_, _, _) => rs1 + rs2,
  |            ^^^^^^^^^
  |            This branch has type int<33>
32 | Insn::Set(_, val) => val,
  |           ^^^ But this one has type int<32>
  |
  = Expected: 33 in: int<33>
  =   Got: 32 in: int<32>

糟糕的错误消息被认为是错误。请报告它们！

有用的工具

Spade 附带一套围绕该语言的出色工具

官方构建工具 Swim 管理您的依赖项、调用综合工具并运行您的测试。它甚至可以用一个命令为您创建一个新项目！
- 当然，您也可以将生成的 Verilog 放入您常规的构建流程中。
测试是用 cocotb 编写的，允许您利用 Python 来满足您的所有测试需求。当您需要更高性能的测试时，您也可以使用 verilator
从测试中出来的 VCD 会自动转换以包含 Spade 类型信息，因此您永远不必解码波形中的单个位。