Bluespec SystemVerilog (BSV) 是由Arvind 開發的 Bluespec 語言，這是一種高級功能 硬件 描述編程語言，本質上是Haskell（Haskell ( / ?h ?s k ?l / ) 是一種通用的、靜態類型的、純函數式 編程語言，具有類型推斷和惰性求值。）的擴展，用于處理一般的芯片設計和電子設計自動化。Bluespec的主要設計者和實現者是Lennart Augustsson。Bluespec 被部分評估（轉換 Haskell 部分）并編譯為術語重寫系統(TRS)。它帶有一個SystemVerilog前端。BSV 編譯為Verilog RTL 設計文件。

為什么要 BSV？Verilog 不好用？

BSV 是一門高級硬件描述語言（High-Level Hardware Description Language, HL-HDL），與 Verilog 一樣，被用于 FPGA 或 ASIC 的設計和驗證。BSV 于 2003 年被 Bluespec 公司開發，期間是商業收費工具，到 2020 年它的編譯器才開源，這才給了我們接觸它的機會。

Verilog 的語法簡單、特性少，卻能全面且精準地描述數字電路，是“小而美”的語言。學習 Verilog 時，只需要掌握3種常見寫法：assign， always @ (*) 和 always @ (posedge clk) ，剩下的就依賴于你對電路設計的理解了。當然，這才是最難的，包括各種繁雜的硬件設計思維——狀態機、并行展開、流水線化、握手信號、總線協議等。

各位讀到這里有沒有意識到問題——用如此簡單的抽象級別來描述如此復雜的數字電路系統，會不會很吃力？相信每個接觸過復雜的 Verilog 系統的讀者，都體會過被 always 塊下的幾十個狀態所支配的恐懼，也清晰地記得模塊實例化時那幾十行嚇人的端口連接。因此，我們需要一種抽象層次更高的 HDL 來提高開發效率，BSV 就能勝任這一工作。

對BSV有興趣的可以看看上面文章《爆肝6萬字的 Bluespec SystemVerilog (BSV) 中文教程上線了》。

今天的核心是使用BSV設計一款游戲，看下在實際設計中BSV表現如何~

使用BSV設計《太空入侵者》

緒論

2020年1月，Bluespec開源了bsc（Bluespec SystemVerilog Compiler）。因此我安裝了 bsc，這是一個編譯器，可以對用BSV (Bluespec SystemVerilog)編寫的設計進行高級綜合。BSV 與任何其他語言一樣，無法通過閱讀手冊來學習，我認為學習新語言的唯一方法是實際設計應用程序。因此，我嘗試使用 BSV 設計《太空入侵者》游戲。

BSV

簡而言之，Verilog HDL 是一種標準化為 IEEE 1364 的硬件設計語言 (HDL)，而 SystemVerilog 是其標準化為 IEEE 1800 的擴展。BSV 是進一步擴展 SystemVerilog 的 HDL。

使用設備

使用的開發板如下：

第一步 - 聲音 FSM（有限狀態機）設計

第一次應用BSV時，聲音狀態機的規模比較小，所以這是第一個設計目標。

確定聲道

游戲中使用了 10 種不同的聲音；需要確定同時發生的數量（=聲道的數量）。考慮到游戲場景中同時發生的條件，假設有4個通道：玩家自己的船的聲音、入侵者的聲音1和2、UFO的聲音。

聲音系統框圖

框圖如下圖所示。聲音FSM從之前的設計擴展到4個通道。

第二步——游戲FSM設計

然后繼續進行游戲FSM的狀態機設計。

在設計聲音 FSM 時，我使用基于狀態的設計方法來設計 FSM 。本文中的基于狀態的FSM設計方法是指將序列手動分解為狀態，并為每個狀態一一編寫規則的方法。這種方法基本上需要與Verilog相同的工時。換句話說，使用高級語言沒有什么好處。

另一方面，BSV 有一個名為StmtFSM的庫，可以高效地設計狀態機。在這個游戲FSM中，我充分利用了這一點，設計時無需手動進行狀態分解。在本文中，這種方法將被稱為基于序列的方法。

博弈FSM算法

基本上，我發現游戲可以用與用C編寫相同的方式來編寫。例如，如果我考慮子彈移動、碰撞檢測、碰撞處理以及顯示和擦除爆炸標記的算法，則算法是對于自己和敵人的子彈來說都是一樣的，如下所示。

if(bullet_explosion_timer>=1){//Bulletexploding
bullet_explosion_timer++;
if(bullet_explosion_timer==MAX){
bulletdeletion;//logicaldeletion
erasebullet_explosion_mark;//logicalerasure
bullet_explosion_timer<=?0;
????}
}?else?{
????if?(no?bullets?and?bullet?generation?condition)?{
????????bullet?generation?process;
????????bullet?sound;?//?only?own?bullets,?no?sound?for?enemy?bullets
????}
????if?(bullet?exists)?{
????????Collision?detection;
????????if?(collision?with?object)?{?//?invader?and?UFO?for?own?bullets,?ship?for?enemy?bullets
????????????delete?bullet;?//?logical?deletion
????????????erase?bullet_mark;?//?Physical?deletion
????????????object?state?<=?explosion;
????????????object_explosion_timer?<=?0;
????????}?else?if?(up?down?hash?||?base?||?bullets)?{?//?bullets:?if?own?bullets,?enemy?bullets;?if?enemy?bullets,?own?bullets
????????????erase?bullet_mark;?//?physical?erase
????????????show?bullet_explosion_mark;
????????????bullet_explosion_timer?<=?1;?//?start?timer
????????}?else?{?//?if?no?collision
????????????advance?bullet;?//?if?no?collision,?advance?the?bullet;?//?if?no?collision,?advance?the?bullet
????????}
????}
}

另一方面，該對象需要專門的處理，如下面的代碼所示。

if(objectstate==explosion){
if(object_explosion_timer==0){
object_explosion_timer<=?1;?//?start?timer
????????object?explosion?sound;
????????show?object_explosion_mark?;
????}?else?{
????????object_explosion_timer++;
????????if?(object_explosion_timer?==?MAX)?{
???????????delete?object;?//?logical?deletion
???????????erase?object_explosion_mark;?//?physical?erasure
????????}
????}
}

通過應用 StmtFSM，可以將項目符號序列描述為一種算法，而無需將其分解為逐個時鐘狀態。我用類C語言編寫了上面的偽代碼，但我只需要將BSV中的'{'更改為seq ，將'}'更改為endseq 。if、while、for等控制語法由bsc進行行為綜合，并轉換為Verilog中的狀態機。

游戲完成

下面的動圖展示了可能是世界上第一部由 BSV 設計的《太空入侵者》游戲的視頻。

完整的入侵者層次結構如下圖所示。Button_0 只是一個對板載開關和外部開關進行或運算的電路。入侵者_移動_0是BSV設計的游戲FSM。blk_mem_gen_0是連接到游戲FSM的ROM，用于存儲入侵者的模式等。

BSV的優勢

雖然 BSV 看起來效率更高，但它增加了 bsc 的編譯時間，對于大型設計來說可能會超過一個小時。因此，對于這樣的設計，修改、模型創建和仿真的TAT（周轉時間）將非常長，這可能使其效率低于Verilog。然而，Bluesim 中的仿真速度比 iverilog 中快約 3, 000 倍。

總結

對于這一“語言”，其發展肯定會在某一方面有突出優點，之后才能被慢慢接受，類似SpinalHDL/CHISEL等，但是該門語言目前未在業內受到重視，但是未來的發展我抱有希望

審核編輯：湯梓紅