目录整理：RTL/上板/仿真分开存放，测试 ROM 镜像归入 testbench/rom

- rtl/：12 个可综合的处理器源文件（顶层 cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v，其余为各功能单元）。 - board/：板级顶层 cpu21_board_top.v、引脚约束 cpu21_board_top.xdc、片内 ROM 初始化 cpu21_board_rom.vh 与短延时版本 cpu21_board_rom_fast.vh。 - testbench/：保留三个测试平台；ROM 镜像统一放到 testbench/rom/，测试程序源码与期望值仍在 testbench/programs/（其中的 .hex 是 RARS 原始输出，与 rom/ 里改过显示方式的版本内容不同，两者都保留）。 - 同步更新：两个测试平台的 ROM 探测路径改为 testbench/rom/（并在头注释里补充说明： PowerShell 会把 -generic_top/--testplusarg 参数里的 "=" 拆开、Verilog 字符串中的路径要用正斜杠）；tools/hex2vh.py 的用法示例指向 board/cpu21_board_top.v；说明文档新增“目录结构”一节并同步所有路径引用；.gitignore 补充 .Xil/。 - 清理：删除 *.hex.lst 中间文件与空的 .Xil/ 目录。 - 验证：isa_test 24/24、lui_test 4/4、mmio_test 5/5 三项回归通过；两个基线（5560 / 6003 周期）与整理前一致；板级仿真（默认 ROM 首次写入 LED=0001、快速 ROM 跑马灯循环）正常； Vivado 工程源文件路径同步到 rtl/ 与 board/ 后综合通过（LUT 5276、23 个引脚，与整理前完全一致），因此已有 bit 文件仍然有效。
2026-09-13 18:06:21 +08:00
parent 1ae6fe6ebe
commit 556fbe9530
29 changed files with 157 additions and 110 deletions
@@ -0,0 +1,176 @@
+`timescale 1ns / 1ps
+`default_nettype none
+
+// -----------------------------------------------------------------------------
+// 上板顶层（Nexys4DDR，xc7a100tcsg324-1）
+//
+// 处理器顶层 cpu21_riscv_redirect_int_bpb 暴露了 775 位调试端口（各级 PC/IR、
+// 计数器、BPB/中断观测等），直接作为实现顶层会因 I/O 超限而无法布局布线
+// （[Place 30-415] IO Placement failed due to overutilization）。本模块只把
+// 开发板真正需要的外设引出来，其余调试端口不连接，因此不占用引脚：
+//
+//   clk100 (E3)       -> CPU 时钟（100 MHz）
+//   rst_n  (C12)      -> 复位按键 CPU_RESETN，低有效，经复位同步器
+//   go     (N17)      -> 按键 BTNC：ecall 停机后按下继续运行
+//   irq_sw[2:0]       -> 拨码开关 SW[2:0]：3 路中断源
+//   led[15:0]         -> 板载 LED[15:0]：显示 MMIO（LED_ADDR）写入值的低 16 位
+//   led_we  (R12)     -> LED16_B：有 MMIO 写入时亮，并拉长约 0.17 s 便于观察
+//
+// 片内存储器：
+//   ROM：ROM_WORDS 字，组合读，内容由 `include "cpu21_board_rom.vh"` 给出
+//        （该文件由 tools/hex2vh.py 从 testbench/programs/*.hex 生成）；
+//   RAM：RAM_WORDS 字，字节写使能 + 组合读；只响应地址 < 2^(RAM_AW+2)，
+//        因此 MMIO 地址不会落进 RAM（避免与 LED_ADDR 别名）。
+//
+// 注意：ROM_WORDS / RAM_WORDS 需为 2 的幂（默认 1024，对应地址位 [11:2]）。
+// -----------------------------------------------------------------------------
+module cpu21_board_top #(
+    parameter         [31:0] LED_ADDR     = 32'h0000_1000,
+    parameter                ROM_WORDS    = 1024,
+    parameter                RAM_WORDS    = 1024,
+    parameter         [31:0] USTATUS_INIT = 32'h0000_0001,
+    // 板载 100 MHz 分频给 CPU。ALU 里的除法/取余是组合电路（实测约 94 ns），
+    // 100 MHz 下无法收敛；默认 16 分频（6.25 MHz，周期 160 ns）留出足够余量。
+    parameter integer        CLK_DIV      = 16
+) (
+    input  wire        clk100,  // E3
+    input  wire        rst_n,   // C12：CPU_RESETN，低有效
+    input  wire        go,      // N17：BTNC
+    input  wire [ 2:0] irq_sw,  // SW[2:0]
+    output wire [15:0] led,     // LED[15:0]
+    output wire        led_we   // LED16_B：MMIO 写入指示
+);
+  localparam ROM_AW = $clog2(ROM_WORDS);
+  localparam RAM_AW = $clog2(RAM_WORDS);
+
+  wire        arst = ~rst_n;  // 异步复位（高有效）
+
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  // 时钟分频：100 MHz / CLK_DIV，经 BUFG 走全局时钟网络
+  // （XDC 中用 create_generated_clock 声明该分频时钟，否则时序分析会按
+  //   100 MHz 的 10 ns 要求去约束 CPU 内部路径而报大量违例）
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  reg  [15:0] clk_cnt;
+  reg         clk_div;
+
+  always @(posedge clk100 or posedge arst) begin
+    if (arst) begin
+      clk_cnt <= 16'd0;
+      clk_div <= 1'b0;
+    end else if (clk_cnt == (CLK_DIV / 2 - 1)) begin
+      clk_cnt <= 16'd0;
+      clk_div <= ~clk_div;
+    end else begin
+      clk_cnt <= clk_cnt + 16'd1;
+    end
+  end
+
+  // 不直接例化 BUFG 原语，保持 RTL 可跨工具仿真；
+  // 综合/实现时 Vivado 会为这条时钟网络自动插入 BUFG（全局时钟缓冲）。
+  wire clk_cpu = clk_div;
+
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  // 复位同步器（在 CPU 时钟域）：按键异步置位、释放与 clk_cpu 同步
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  reg [2:0] rst_sync_q;
+
+  always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
+    if (arst) rst_sync_q <= 3'b111;
+    else rst_sync_q <= {rst_sync_q[1:0], 1'b0};
+  end
+
+  wire           reset = rst_sync_q[2];
+
+  // CPU 接口连线（先声明：后面的 ROM/RAM 逻辑与例化都要用到）
+  wire    [31:0] instr_addr;
+  wire    [31:0] data_addr;
+  wire    [31:0] data_wdata;
+  wire    [ 3:0] data_wstrb;
+  wire           data_we;
+  wire    [31:0] led_data;
+  wire           led_valid;
+
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  // 指令 ROM：组合读
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  reg     [31:0] rom                   [0:ROM_WORDS-1];
+  integer        i;
+
+  initial begin
+    for (i = 0; i < ROM_WORDS; i = i + 1) rom[i] = 32'h0000_0013;  // NOP 填充
+`ifdef BOARD_ROM_FAST
+    // 仿真专用：把演示程序的延时改小的版本（综合流程不会用到）
+    `include "cpu21_board_rom_fast.vh"
+`else
+    `include "cpu21_board_rom.vh"
+`endif
+  end
+
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  // 数据 RAM：字节写使能 + 组合读
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  reg [31:0] ram[0:RAM_WORDS-1];
+  integer j;
+
+  initial begin
+    for (j = 0; j < RAM_WORDS; j = j + 1) ram[j] = 32'b0;
+  end
+
+  wire [ROM_AW+1:2] rom_index = instr_addr[ROM_AW+1:2];
+  wire [RAM_AW+1:2] ram_index = data_addr[RAM_AW+1:2];
+  wire ram_sel = (data_addr[31:RAM_AW+2] == 0);
+
+  wire [31:0] instr_word = rom[rom_index];
+  wire [31:0] data_rdata = ram_sel ? ram[ram_index] : 32'b0;
+
+  always @(posedge clk_cpu) begin
+    if (ram_sel && data_we) begin
+      if (data_wstrb[0]) ram[ram_index][7:0] <= data_wdata[7:0];
+      if (data_wstrb[1]) ram[ram_index][15:8] <= data_wdata[15:8];
+      if (data_wstrb[2]) ram[ram_index][23:16] <= data_wdata[23:16];
+      if (data_wstrb[3]) ram[ram_index][31:24] <= data_wdata[31:24];
+    end
+  end
+
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  // 处理器：只连接上板需要的端口，调试端口留空（不产生 I/O）
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
+      .LED_ADDR    (LED_ADDR),
+      .USTATUS_INIT(USTATUS_INIT)
+  ) u_cpu (
+      .clk         (clk_cpu),
+      .reset       (reset),
+      .instr_i     (instr_word),
+      .data_rdata_i(data_rdata),
+      .irq_i       (irq_sw),
+      .go_i        (go),
+
+      .instr_addr_o(instr_addr),
+      .data_addr_o (data_addr),
+      .data_wdata_o(data_wdata),
+      .data_wstrb_o(data_wstrb),
+      .data_we_o   (data_we),
+
+      .led_data_o (led_data),
+      .led_valid_o(led_valid)
+  );
+
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  // 板载 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位；写入指示拉长便于观察
+  // ---------------------------------------------------------------------------
+  assign led = led_data[15:0];
+
+  reg [23:0] led_we_cnt;
+
+  always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
+    if (arst) led_we_cnt <= 24'd0;
+    else if (led_valid)
+      led_we_cnt <= 24'hFF_FFFF;  // 约 2.7 s @6.25 MHz（分频后的 CPU 时钟）
+    else if (led_we_cnt != 24'd0) led_we_cnt <= led_we_cnt - 24'd1;
+  end
+
+  assign led_we = (led_we_cnt != 24'd0);
+endmodule
+
+`default_nettype wire
@@ -0,0 +1,45 @@
+## cpu21_board_top.xdc —— Nexys4DDR (xc7a100tcsg324-1) 上板引脚
+## 引脚编号取自 ConstraintsData/Nexys4DDR_Master.xdc（母版默认全部注释）。
+## 只约束 cpu21_board_top 实际使用的端口。
+
+## 100 MHz 板载时钟
+set_property -dict { PACKAGE_PIN E3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { clk100 }]
+create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports { clk100 }]
+
+## CPU 时钟：板上 100 MHz 经 CLK_DIV(=16) 分频
+## （与 cpu21_board_top.v 的 CLK_DIV 保持一致；改分频比时这里也要改）
+create_generated_clock -name cpu_clk -source [get_ports { clk100 }] \
+  -divide_by 16 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
+
+## 复位按键（CPU_RESETN，低有效）与"继续运行"按键（BTNC）
+set_property -dict { PACKAGE_PIN C12   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { rst_n }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN N17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { go }]
+
+## 拨码开关 SW[2:0] 作为三路中断源
+set_property -dict { PACKAGE_PIN J15   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[0] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN L16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[1] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN M13   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[2] }]
+
+## 16 位 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位
+set_property -dict { PACKAGE_PIN H17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[0] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN K15   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[1] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN J13   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[2] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN N14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[3] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN R18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[4] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN V17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[5] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN U17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[6] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN U16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[7] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN V16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[8] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN T15   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[9] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN U14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[10] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN T16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[11] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN V15   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[12] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN V14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[13] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN V12   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[14] }]
+set_property -dict { PACKAGE_PIN V11   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[15] }]
+
+## LED16_B：MMIO 写入指示（拉长约 2.7 s，CLK_DIV=16 下的 CPU 时钟）
+set_property -dict { PACKAGE_PIN R12   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led_we }]
+
+## 上板调试时可把 MMIO 写入的 LED 寄存器也引到 LED16_R/G，
+## 但默认只用一个引脚，避免与 led_we 争用。