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在 FPGA 上跑 Haskell：Ouros 处理器的 IO 与自动多线程

来源：bathtub-01.github.io — 2026-11-01

📋 概述

博士生 Yukang Xie 介绍把 Haskell 处理器 Ouros 放上 FPGA 并补上 IO 能力的工作。Ouros 是基于组合子的图归约机，不执行指令序列，而是把程序编译成组合子图后反复归约：每个应用（App）是一个定长字，大型表达式是一串靠指针连起来的 App 存在堆里，Dereference Heap、Reducer、ALU 三块硬件以数据令牌流转，因此是数据流驱动而非指令驱动。IO 用状态传递的 IO monad 接上，World 只是个占位整数，底层操作落到 AXI4-Lite 总线读写寄存器，于是没有软件运行时也没有内核陷入。设计在 AMD 捐赠的 AUP-ZU3 板上以 100 MHz 运行，约占 27% LUT、7% 寄存器、40% BRAM。

🔑 核心要点

演示里没有软件运行时或「内核陷入」，Haskell 程序直接跑在硬件上，通过 UART 与外界对话。
执行模型是图归约：编译成组合子图，执行就是反复归约函数应用，App 是定长字加指针串起的堆结构。
三块硬件以数据令牌协作，谁输入就绪谁处理，即数据流驱动；同时支持较大的组合子以减少归约步数。
自动细粒度多线程：遇到两个独立子表达式时自动分线程求值，共享一条硬件流水线；另有并发硬件垃圾回收器。
IO 用经典状态传递 monad，World 只是占位 Int，靠数据依赖给副作用排序，原生操作用 AXI4-Lite 完成总线事务。
实测 100 MHz，占用约 27% LUT、7% 寄存器、40% BRAM，作者称逻辑规模接近一个小型流水线 RISC-V 核。
局限：暂不支持 Float/Double，ALU 也还不能对 Int 做除法。

💡 金句

从程序员的角度看，它不过是在读写一些寄存器，其中一部分连着外面的世界。

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