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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2026-09-16 20:11:00 +08:00
commit f50639e90f
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pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_muldiv.v
+169
View File
@@ -0,0 +1,169 @@
`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none
// -----------------------------------------------------------------------------
// 多周期乘除法单元（时序逻辑，32 拍迭代）
//
// 原来乘除法直接写在 ALU 里（组合的 a*b / a%b）：综合后关键路径约 94 ns
// （325 级逻辑、286 个 CARRY4），100 MHz 下无法收敛，只能把板上 100 MHz 分频
// 到 6.25 MHz 再跑。这里改成移位迭代：
// * 乘法：32 拍移位加法得到 64 位乘积；有符号变体先取操作数绝对值，
// 迭代结束后按符号对 64 位乘积取负。
// * 除法：32 拍恢复余数法得到商与余数；除零按 RISC-V 约定处理
// （商为全 1、余数为被除数）。DIVU/REMU 都是无符号运算，不需要符号修正。
//
// 顶层的 EX 级会停留若干拍（往 EX/MEM 插气泡）等待 done_o 有效，然后照常写回。
// 迭代期间顶层会屏蔽中断，避免在结果未定型时提前推进流水线。
//
// op_i 编码（由 cpu21_riscv_decoder 给出，MD_NONE 表示不是乘除法指令）：
// MD_MUL mul ：无符号乘积低 32 位（有符号乘法的低 32 位与之相同）
// MD_MULH mulh ：有符号 x 有符号，取高 32 位
// MD_MULHSU mulhsu ：有符号 x 无符号，取高 32 位
// MD_MULHU mulhu ：无符号 x 无符号，取高 32 位
// MD_DIVU divu ：无符号商
// MD_REMU remu ：无符号余数
//
// result_o / result2_o 的含义与原来的 ALU 保持一致：乘法时 result_o 为低 32 位、
// result2_o 为高 32 位；除法时 result_o 为商、result2_o 为余数。译码器用 wb_sel
// 决定写回哪一个（mulhu、remu 用 wb_sel=3 取 result2），因此顶层只需把这一对
// 结果接到原来的 EX 结果总线上，其余流水逻辑不用改。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_riscv_muldiv (
input wire clk,
input wire reset, // 异步复位，高有效（与顶层一致）
input wire start_i, // 指令在 EX 级且是乘除法（电平，模块内部只在空闲时响应）
input wire [2:0] op_i, // 乘除法操作类型
input wire [31:0] a_i, // EX 级 src1
input wire [31:0] b_i, // EX 级 src2（ALU 的 B 端）
output wire busy_o, // 迭代中（不含结果定型那一拍）
output wire done_o, // 结果有效（单拍，此时顶层推进流水线）
output wire [31:0] result_o, // 主结果
output wire [31:0] result2_o // 第二结果（乘法高 32 位 / 除法余数）
);
localparam [2:0] MD_NONE = 3'd0;
localparam [2:0] MD_MUL = 3'd1;
localparam [2:0] MD_MULH = 3'd2;
localparam [2:0] MD_MULHSU = 3'd3;
localparam [2:0] MD_MULHU = 3'd4;
localparam [2:0] MD_DIVU = 3'd5;
localparam [2:0] MD_REMU = 3'd6;
localparam [1:0] S_IDLE = 2'd0;
localparam [1:0] S_RUN = 2'd1;
localparam [1:0] S_DONE = 2'd2;
reg [ 1:0] state_q;
reg [ 5:0] cnt_q; // 0..32：0..31 为迭代，32 为结果定型
reg [ 2:0] op_q;
reg is_div_q;
// 乘法数据通路：64 位被乘数（每拍左移）、32 位乘数（每拍右移）、64 位累加器。
reg [63:0] mcand_q;
reg [31:0] mplier_q;
reg [63:0] prod_q;
reg sign_q;
// 除法数据通路：32 位除数、32 位商/被除数移位寄存器、33 位余数。
reg [31:0] dvsr_q;
reg [31:0] quo_q;
reg [32:0] rem_q;
reg [31:0] dvd_q; // 原始被除数（除零时原样返回）
reg div_zero_q;
// 结果寄存器。
reg [31:0] res_q;
reg [31:0] res2_q;
assign busy_o = (state_q == S_RUN);
assign done_o = (state_q == S_DONE);
assign result_o = res_q;
assign result2_o = res2_q;
// 乘法操作数准备：按操作类型决定是否取绝对值，并给出结果符号。
wire a_signed = (op_i == MD_MULH) || (op_i == MD_MULHSU);
wire b_signed = (op_i == MD_MULH);
wire [31:0] a_mag = (a_signed && a_i[31]) ? (~a_i + 32'd1) : a_i;
wire [31:0] b_mag = (b_signed && b_i[31]) ? (~b_i + 32'd1) : b_i;
wire sign_in = ((op_i == MD_MULH) && (a_i[31] ^ b_i[31])) || ((op_i == MD_MULHSU) && a_i[31]);
// 除法的一步（恢复余数法）：把被除数最高位移进余数，够减则减并把商位置 1。
wire [32:0] rem_shift = {rem_q[31:0], quo_q[31]};
wire rem_ge = (rem_shift >= {1'b0, dvsr_q});
wire [32:0] rem_next = rem_ge ? (rem_shift - {1'b0, dvsr_q}) : rem_shift;
wire [31:0] quo_next = {quo_q[30:0], rem_ge};
// 迭代结束时的符号修正：prod_mag 为无符号乘积，sign_q 为 1 时取负。
wire [63:0] prod_fix = sign_q ? (~prod_q + 64'd1) : prod_q;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
state_q <= S_IDLE;
cnt_q <= 6'd0;
op_q <= MD_NONE;
is_div_q <= 1'b0;
mcand_q <= 64'd0;
mplier_q <= 32'd0;
prod_q <= 64'd0;
sign_q <= 1'b0;
dvsr_q <= 32'd0;
quo_q <= 32'd0;
rem_q <= 33'd0;
dvd_q <= 32'd0;
div_zero_q <= 1'b0;
res_q <= 32'd0;
res2_q <= 32'd0;
end else begin
case (state_q)
// 空闲：指令进入 EX 且是乘除法时装载操作数，下一拍开始迭代。
S_IDLE: begin
if (start_i) begin
state_q <= S_RUN;
cnt_q <= 6'd0;
op_q <= op_i;
is_div_q <= (op_i == MD_DIVU) || (op_i == MD_REMU);
// 乘法初始化（先取绝对值，符号留到最后修正）。
mcand_q <= {32'b0, a_mag};
mplier_q <= b_mag;
prod_q <= 64'd0;
sign_q <= sign_in;
// 除法初始化（无符号）。
dvsr_q <= b_i;
quo_q <= a_i;
rem_q <= 33'd0;
dvd_q <= a_i;
div_zero_q <= (b_i == 32'd0);
end
end
// 迭代：cnt 0..31 各走一步，32 拍后把结果定型。
S_RUN: begin
if (cnt_q == 6'd32) begin
state_q <= S_DONE;
if (is_div_q) begin
res_q <= div_zero_q ? 32'hffff_ffff : quo_q;
res2_q <= div_zero_q ? dvd_q : rem_q[31:0];
end else begin
res_q <= (op_q == MD_MULHU || op_q == MD_MUL) ? prod_fix[31:0] : prod_fix[63:32];
res2_q <= prod_fix[63:32];
end
end else begin
cnt_q <= cnt_q + 6'd1;
if (is_div_q) begin
rem_q <= rem_next;
quo_q <= quo_next;
end else begin
prod_q <= mplier_q[0] ? (prod_q + mcand_q) : prod_q;
mcand_q <= {mcand_q[62:0], 1'b0};
mplier_q <= {1'b0, mplier_q[31:1]};
end
end
end
// 结果有效一拍，顶层据此推进流水线；随后回到空闲。
default: state_q <= S_IDLE;
endcase
end
end
endmodule
`default_nettype wire