Anccend/risc-v-cpu
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feat(saolei): 新增纯 C 扫雷（MMIO 显示 + 中断读鼠标），扩展 CPU 外设并清理仓库

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## 背景

在原有五级流水 CPU 的基础上，用一颗 RISC-V 工具链把"纯 C 写的扫雷"编译成机器码
固化进片内 ROM 运行，并为此把 MMIO 外设从"只有一个 LED 寄存器"扩展成
显示（VGA 显存）+ 七段数码管 + 鼠标事件（含中断）的完整子系统。
原 LED MMIO 的语义保持不变，原有跑马灯/中断/指令回归不受影响。

## 硬件（pipelined-cpu/srcs）

- cpu21_mmio.v：扩展成 MMIO 中枢，新增
  * 七段数码管寄存器（0x1004，8 位十六进制）
  * 鼠标寄存器组（0x1100+）：STATUS/DATA/ACK/CTRL/INPUT/TIME/FRAME/EVCNT/LEVEL/MAGIC
    —— 含 16 项事件 FIFO 与 mouse_irq_o（读空自动回 0，不丢事件）
  * 显示控制器（0x1140+）：CTRL（光标可见/背景色）、CURSOR（列、行）
  * 显存窗口（0x2000-0x27FF）：写端口输出到板级顶层的双口 RAM，读保持组合读
  * LEVEL（0x1120）：软件中断寄存器，写 1 拉起 level_irq_o（用作"关卡入口"）
  * 地址译码、字节写合并、读数据 mux 全部按原风格实现
- 新增外设 RTL：cpu21_vga.v（640x480@60 按格子扫描，8x8 字模放大 2 倍）、
  cpu21_seg7.v（8 位数码管动态扫描）、cpu21_pointer.v（5 向按键→鼠标事件，1 ms 去抖
  + 事件排队）、cpu21_ps2_mouse.v（可选真鼠标，PS/2 11 位帧接收 + 3 字节包解析）
- cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v：新增外设总线端口（显存写/读回、鼠标事件输入、
  中断输出、数码管数据、帧脉冲），例化扩展后的 cpu21_mmio
- cpu21_board_top.v：接入显存双口 RAM + VGA + 数码管 + 鼠标事件源，中断接线为
  irq_i = {SW2, LEVEL|SW1, 鼠标|SW0}；ROM 宏切换（定义 SAOLEI_ROM 加载扫雷程序）；
  ROM_WORDS 1024→8192
- cpu21_board_top.xdc：新增按键、SW[3]、8 位数码管、VGA、PS/2 的全部引脚约束
- tb_board_top.v：新端口显式接 0/1，避免悬空影响原跑马灯回归
- create_project.tcl：把 cpu21_saolei_rom.vh 按 Verilog Header 条件加入

## 软件（saolei/）

- sw/mmio.h：全部 MMIO 地址与格子编码（换地址只改这一个文件）
- sw/saolei.c：纯 C 扫雷 —— 背景"伪操作系统" main()（开始界面）+ 关卡 level_main()
  （在 IRQ1 里跑完整局）+ 棋盘位图/布雷（首点安全）/BFS 展开/插旗/胜负判定/逐格绘制
- sw/isr.c：**中断读鼠标的代码**。三个固定地址入口：
  * isr1_entry（.text.isr1=0x100）关卡入口：保存全部调用者保存寄存器 +
    csrrsi 打开 MIE（让鼠标中断可嵌套）→ level_main
  * isr2_entry（.text.isr2=0x200）鼠标读取：只存 ra → 纯 C 主体 isr_body
  * isr3_entry（.text.isr3=0x300）备用：直接 uret
- sw/start.c：设 sp、清 .bss、进 main（只有这一处必要内联汇编）
- sw/linker.ld：复位 0x0、三个中断入口 0x100/0x200/0x300、栈顶 0x0FFC；
  用 ASSERT 禁止 .data/.rodata（这颗核读不到 ROM 里的数据）

## 构建与工具链适配（saolei/tools）

- build.ps1：一键 C → .o → ELF → .hex + cpu21_saolei_rom.vh，任一步失败立刻停止
- check_isa.py：用"指令白名单"逐条检查反汇编，出现本核未实现的指令即报错并给修复提示
- elf2hex.py：裸二进制 → $readmemh hex + ROM 初始化头文件
- 三处针对本核的关键配置（都已写进脚本注释）：
  1) -march=rv32im_zicsr（GCC 15 起 rv32im 不含 Zicsr，csrrsi 会报错）
  2) 不能禁链接器松弛：gcc 函数调用默认是 auipc+jalr，靠松弛压成 jal，
     禁掉后 35 条 auipc 会留在代码里（本核没有 auipc）；
     用 -msmall-data-limit=0 防止松弛引入 gp 相对寻址
  3) 中断入口地址必须写在段声明上（.text.isr1 0x100 : ...），
     只写 ". = 0x100;" 会被 ld 忽略（实测 isr1 掉到了 0x14）
- 实测结果：text=3368B、data=0、bss=1436B，842 条指令全部通过 ISA 检查，
  入口地址 _start=0x0 / isr1_entry=0x100 / isr2_entry=0x200 / isr3_entry=0x300

## 仓库清理

- 删除被工程取代的 saolei/hw、saolei/constrs（外设已并入 srcs/rtl）
- 删除全部 Vivado 生成物：.xpr、.runs、.sim、.cache、.hw、.ip_user_files、.Xil、
  vivado.jou/log —— 需要工程时用 source create_project.tcl 一键重建（约 0.3 MB 源文件）
- .gitignore 增加 saolei/build/（构建产物可一键重建）

## 文档

- README：更新目录结构、仓库约定（不放生成物）、MMIO 地址表、文件与模块划分表、
  上板说明，新增"扫雷程序（saolei/）"章节
- saolei/README.md：重写 —— 程序结构（背景/关卡/鼠标 + 三个中断入口）、
  本核指令子集与对应写法、构建步骤与实测数据、MMIO 地址表、上板/仿真步骤、
  操作说明、验证状态与已知可改进项

## 验证状态（如实说明）

- 已实测：C 工具链链路（编译/链接/ISA 检查/hex 生成/入口地址逐条核对）
- 未验证：所有 RTL 未经综合与仿真（本机无 Vivado），C 程序也未在仿真器/硬件上运行过；
  建议先跑 tools/run_regress.ps1 确认原回归仍全 PASS，再用 SAOLEI_ROM 宏做行为仿真
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Alpha
2026-09-16 20:11:00 +08:00
commit f50639e90f
66 changed files with 19733 additions and 0 deletions
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pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v
+310
View File
@@ -0,0 +1,310 @@
`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none
// -----------------------------------------------------------------------------
// MMIO：把外设寄存器映射到数据存储器地址空间。
//
// 地址映射（字节地址，都是"字对齐"译码：同一 32 位寄存器内的任意字节偏移都命中，
// 具体改哪几个字节由 wstrb_i 决定，与原来 LED 的语义一致）：
//
// 0x0000_1000 LED 数据寄存器（**保持原有语义不变**，led_valid_o 拉高一拍）
// 0x0000_1004 七段数码管：8 位十六进制数（每 4 位一个数码管，低 4 位 = 最右）
// 0x0000_1100 + 4*k 鼠标寄存器组（见下）
// 0x0000_1140 + 4*k 显示控制器寄存器（见下）
// 0x0000_2000 - 0x27FF 显存窗口：40x30 格、每格 1 字节（只用到前 1200 字节）
//
// 鼠标寄存器（基址 0x1100）：
// +0x00 STATUS RO [0] FIFO 非空 [5:1] 项数 [6] 中断使能 [7] FIFO 满
// +0x04 DATA RO [7:0] dx [15:8] dy [20:16] 按键（读无副作用）
// +0x08 ACK WO 写任意值 -> 弹出 FIFO 一项
// +0x0C CTRL RW [0] 中断使能（复位默认 1）
// +0x10 INPUT RO [15:0] 拨码开关 [20:16] 按键（原样）
// +0x14 TIME RO 自由运行计数器（随机种子）
// +0x18 FRAME RO VGA 帧计数
// +0x1C EVCNT RO 累计鼠标事件数
// +0x20 LEVEL RW [0] 写 1 -> 拉起 level_irq_o（软件中断，用作"关卡入口"）；
// 关卡程序返回前要写 0 清掉，否则下次没有上升沿
// +0x24 MAGIC RO 0xCAFE0002（自检用：读得到说明 MMIO 活着）
//
// 显示控制器寄存器（基址 0x1140）：
// +0x00 CTRL RW [0] 光标可见 [6:4] 背景色（3 位调色板）
// +0x04 CURSOR RW [5:0] 列(0..39) [13:8] 行(0..29)
// +0x08 MAGIC RO 0xCAFE0001
//
// 显存本体不在本模块里：写操作通过 fb_* 端口直接送到板级顶层的双口 RAM（VGA 读
// 同一块 RAM），读操作把 fb_rdata_i 组合回读数据，保持"组合读"的时序不变。
//
// 两个中断源：
// mouse_irq_o = 中断使能 && 事件 FIFO 非空（接 irq_i[0]）
// level_irq_o = LEVEL 寄存器（软件中断，接 irq_i[1]，用来"进入关卡"）
//
// 以后要增加外设（UART、SD 卡等）时只需在这里扩展地址译码。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_mmio #(
parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000,
parameter integer FB_WORDS = 300,
parameter integer FIFO_DEPTH = 16
) (
input wire clk,
input wire reset,
// MEM 级的访存请求（来自 EX/MEM 流水寄存器）
input wire mem_valid_i,
input wire mem_write_i,
input wire mem_read_i,
input wire [31:0] addr_i,
input wire [31:0] wdata_i,
input wire [ 3:0] wstrb_i,
// MMIO 读回
output wire [31:0] rdata_o,
output wire rdata_hit_o,
// LED 外设（原样保留）
output reg [31:0] led_data_o,
output reg led_valid_o,
// 七段数码管：8 位十六进制数
output reg [31:0] seg_data_o,
output reg seg_valid_o,
// 显存写端口（板级顶层的双口 RAM）
output wire fb_we_o,
output wire [ 9:0] fb_waddr_o,
output wire [31:0] fb_wdata_o,
output wire [ 3:0] fb_wstrb_o,
input wire [31:0] fb_rdata_i,
// 显示控制器寄存器（给 VGA 用）
output wire [31:0] disp_ctrl_o,
output wire [31:0] disp_cursor_o,
// 鼠标事件源（来自板级顶层：按键去抖 / PS/2 解析）
input wire mouse_ev_valid_i,
input wire [ 7:0] mouse_dx_i,
input wire [ 7:0] mouse_dy_i,
input wire [ 4:0] mouse_btn_i,
input wire [15:0] sw_i,
input wire frame_tick_i,
// 中断
output wire mouse_irq_o,
output wire level_irq_o
);
// ---------------------------------------------------------------------------
// 地址译码（都按"字"对齐：同一 32 位寄存器内的任意字节偏移都算命中）
// ---------------------------------------------------------------------------
localparam [31:0] SEG_ADDR = 32'h0000_1004;
localparam [31:0] MOUSE_BASE = 32'h0000_1100;
localparam [31:0] DISP_BASE = 32'h0000_1140;
localparam integer FIFO_AW = 4;
localparam [FIFO_AW:0] FIFO_FULL_V = FIFO_DEPTH[FIFO_AW:0];
wire sel_led = (addr_i[31:2] == LED_ADDR[31:2]);
wire sel_seg = (addr_i[31:2] == SEG_ADDR[31:2]);
wire sel_mouse = (addr_i[31:8] == MOUSE_BASE[31:8]) && (addr_i[7:6] == 2'b00);
wire sel_disp = (addr_i[31:8] == DISP_BASE[31:8]) && (addr_i[7:6] == 2'b01);
// 显存窗口 0x2000 - 0x27FF（addr[12]=1 且 addr[11]=0）
wire sel_fb = (addr_i[31:13] == 19'd0) && addr_i[12] && !addr_i[11];
wire [3:0] midx = addr_i[5:2];
wire [3:0] didx = addr_i[5:2];
wire [9:0] fb_widx = addr_i[10:2];
wire fb_ok = (fb_widx < FB_WORDS);
wire led_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_led;
wire led_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_led;
wire seg_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_seg;
wire seg_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_seg;
wire mo_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_mouse;
wire mo_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_mouse;
wire dp_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_disp;
wire dp_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_disp;
wire fb_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_fb && fb_ok;
wire fb_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_fb && fb_ok;
assign fb_we_o = fb_wr;
assign fb_waddr_o = fb_widx;
assign fb_wdata_o = wdata_i;
assign fb_wstrb_o = wstrb_i;
assign rdata_hit_o = led_rd | seg_rd | mo_rd | dp_rd | fb_rd;
// 字节写合并：sw 改 4 字节、sb 只改 1 字节（与 RAM 的字节写语义一致）
function [31:0] merge_bytes;
input [31:0] new_v;
input [31:0] old_v;
input [ 3:0] strb;
begin
merge_bytes[7:0] = strb[0] ? new_v[7:0] : old_v[7:0];
merge_bytes[15:8] = strb[1] ? new_v[15:8] : old_v[15:8];
merge_bytes[23:16] = strb[2] ? new_v[23:16] : old_v[23:16];
merge_bytes[31:24] = strb[3] ? new_v[31:24] : old_v[31:24];
end
endfunction
// ---------------------------------------------------------------------------
// LED：保持原有语义（led_valid_o 只拉高一拍）
// ---------------------------------------------------------------------------
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
led_data_o <= 32'b0;
led_valid_o <= 1'b0;
end
else begin
led_valid_o <= 1'b0;
if (led_wr) begin
led_data_o <= merge_bytes(wdata_i, led_data_o, wstrb_i);
led_valid_o <= 1'b1;
end
end
end
// ---------------------------------------------------------------------------
// 七段数码管：8 位十六进制数（低 4 位 = 最右边那个数码管）
// ---------------------------------------------------------------------------
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
seg_data_o <= 32'b0;
seg_valid_o <= 1'b0;
end
else begin
seg_valid_o <= 1'b0;
if (seg_wr) begin
seg_data_o <= merge_bytes(wdata_i, seg_data_o, wstrb_i);
seg_valid_o <= 1'b1;
end
end
end
// ---------------------------------------------------------------------------
// 显示控制器寄存器（显存本体在板级顶层）
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [31:0] disp_ctrl_q, disp_cursor_q;
assign disp_ctrl_o = disp_ctrl_q;
assign disp_cursor_o = disp_cursor_q;
// ---------------------------------------------------------------------------
// 鼠标：事件 FIFO + 寄存器 + 中断
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [31:0] fifo [0:FIFO_DEPTH-1];
reg [FIFO_AW-1:0] wr_ptr_q, rd_ptr_q;
reg [FIFO_AW:0] cnt_q;
reg [31:0] mctrl_q, time_q, frame_q, evcnt_q;
reg level_q;
wire fifo_empty = (cnt_q == {FIFO_AW+1{1'b0}});
wire fifo_full = (cnt_q == FIFO_FULL_V);
wire [31:0] fifo_head = fifo[rd_ptr_q];
wire irq_en = mctrl_q[0];
assign mouse_irq_o = irq_en && !fifo_empty;
assign level_irq_o = level_q;
wire push = mouse_ev_valid_i && !fifo_full;
wire pop = mo_wr && (midx == 4'd2) && !fifo_empty;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
mctrl_q <= 32'h0000_0001; // 鼠标中断默认打开
time_q <= 32'd0;
frame_q <= 32'd0;
evcnt_q <= 32'd0;
level_q <= 1'b0;
wr_ptr_q <= {FIFO_AW{1'b0}};
rd_ptr_q <= {FIFO_AW{1'b0}};
cnt_q <= {(FIFO_AW+1){1'b0}};
disp_ctrl_q <= 32'h0000_0001; // 光标可见，背景色 0
disp_cursor_q <= 32'h0000_0000;
end
else begin
time_q <= time_q + 32'd1;
if (frame_tick_i)
frame_q <= frame_q + 32'd1;
if (push) begin
fifo[wr_ptr_q] <= {11'b0, mouse_btn_i, mouse_dy_i, mouse_dx_i};
wr_ptr_q <= wr_ptr_q + 1'b1;
evcnt_q <= evcnt_q + 32'd1;
end
if (pop)
rd_ptr_q <= rd_ptr_q + 1'b1;
cnt_q <= cnt_q + (push ? 1'b1 : 1'b0) - (pop ? 1'b1 : 1'b0);
// 鼠标寄存器：CTRL(3) / LEVEL(8)
if (mo_wr) begin
case (midx)
4'd3:
mctrl_q <= merge_bytes(wdata_i, mctrl_q, wstrb_i);
4'd8:
level_q <= wdata_i[0];
default:
;
endcase
end
// 显示控制器：CTRL(0) / CURSOR(1)
if (dp_wr) begin
case (didx)
4'd0:
disp_ctrl_q <= merge_bytes(wdata_i, disp_ctrl_q, wstrb_i);
4'd1:
disp_cursor_q <= merge_bytes(wdata_i, disp_cursor_q, wstrb_i);
default:
;
endcase
end
end
end
// ---------------------------------------------------------------------------
// 读数据（组合，与"指令存储器组合读/数据存储器组合读"的时序一致）
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [31:0] rdata_mux;
always @* begin
rdata_mux = 32'b0;
if (led_rd) begin
rdata_mux = led_data_o;
end
else if (seg_rd) begin
rdata_mux = seg_data_o;
end
else if (fb_rd) begin
rdata_mux = fb_rdata_i;
end
else if (mo_rd) begin
case (midx)
4'd0:
rdata_mux = {24'b0, fifo_full, irq_en, cnt_q[4:0], !fifo_empty};
4'd1:
rdata_mux = fifo_head;
4'd3:
rdata_mux = mctrl_q;
4'd4:
rdata_mux = {11'b0, mouse_btn_i, sw_i};
4'd5:
rdata_mux = time_q;
4'd6:
rdata_mux = frame_q;
4'd7:
rdata_mux = evcnt_q;
4'd8:
rdata_mux = {31'b0, level_q};
4'd9:
rdata_mux = 32'hCAFE_0002;
default:
rdata_mux = 32'b0;
endcase
end
else if (dp_rd) begin
case (didx)
4'd0:
rdata_mux = disp_ctrl_q;
4'd1:
rdata_mux = disp_cursor_q;
4'd2:
rdata_mux = 32'hCAFE_0001;
default:
rdata_mux = 32'b0;
endcase
end
end
assign rdata_o = rdata_mux;
endmodule
`default_nettype wire