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_vga.v
+242
View File
@@ -0,0 +1,242 @@
`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none
// -----------------------------------------------------------------------------
// cpu21_vga —— 640x480@60 的"格子"显示控制器（显存端口接板级顶层的双口 RAM）。
//
// CPU 不直接操作像素：它只通过 MMIO 往显示缓冲区里写"每格 1 字节"（字形 + 颜色），
// 本模块按像素扫描把格子展开成画面（8x8 字模放大 2 倍填满 16x16 的格子）。
// 这样一格只要 1 次字节写，刷屏开销极小。
//
// 网格：40 列 x 30 行，每格 16x16 像素 = 640x480。
//
// 时钟：本模块工作在 CPU 时钟（clk）下，用 tick（每 2 个 clk 一个使能）产生
// 25 MHz 的像素节拍。**不引入第二个时钟域**，因此显示缓冲区的读（本模块）
// 与写（MMIO，同一时钟）之间没有跨时钟域问题。
//
// 光标：由 CURSOR 寄存器的 (x,y) 决定，在对应格子上画一个白色闪动的方框
// （CTRL[0] 控制显示与否）。缓冲区字节的 bit7 在本模块中不使用（保留）。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_vga #(
parameter integer H_VISIBLE = 640,
parameter integer H_FP = 16,
parameter integer H_SYNC = 96,
parameter integer H_BP = 48,
parameter integer V_VISIBLE = 480,
parameter integer V_FP = 10,
parameter integer V_SYNC = 2,
parameter integer V_BP = 33,
parameter integer COLS = 40,
parameter integer ROWS = 30
) (
input wire clk,
input wire reset,
input wire tick, // 25 MHz 像素使能（每 2 个 clk 一拍）
// 显示缓冲区读端口
output wire [ 9:0] fb_raddr_o,
input wire [31:0] fb_word_i,
// 控制
input wire [31:0] ctrl_i,
input wire [31:0] cursor_i,
// VGA 输出
output reg [ 3:0] vga_r,
output reg [ 3:0] vga_g,
output reg [ 3:0] vga_b,
output reg vga_hs,
output reg vga_vs,
output reg frame_tick_o
);
localparam integer H_TOTAL = H_VISIBLE + H_FP + H_SYNC + H_BP; // 800
localparam integer V_TOTAL = V_VISIBLE + V_FP + V_SYNC + V_BP; // 525
// ---------------------------------------------------------------------------
// 扫描计数
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [9:0] hx, vy;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
hx <= 10'd0;
vy <= 10'd0;
end
else if (tick) begin
if (hx == H_TOTAL - 1) begin
hx <= 10'd0;
vy <= (vy == V_TOTAL - 1) ? 10'd0 : (vy + 10'd1);
end
else begin
hx <= hx + 10'd1;
end
end
end
wire de = (hx < H_VISIBLE) && (vy < V_VISIBLE);
// 同步信号在 tick 上寄存输出
wire hs_n = ~((hx >= (H_VISIBLE + H_FP)) && (hx < (H_VISIBLE + H_FP + H_SYNC)));
wire vs_n = ~((vy >= (V_VISIBLE + V_FP)) && (vy < (V_VISIBLE + V_FP + V_SYNC)));
// ---------------------------------------------------------------------------
// 格子索引与缓冲区读出
// ---------------------------------------------------------------------------
wire [5:0] ccol = hx[9:4]; // 0..39
wire [4:0] crow = vy[8:4]; // 0..29
wire [10:0] cidx = (crow << 5) + (crow << 3) + ccol; // row*40 + col
assign fb_raddr_o = cidx[10:2]; // 字地址（1 字 = 4 格）
wire [1:0] lane = cidx[1:0];
wire [31:0] cell_word = fb_word_i;
wire [7:0] cell_byte = cell_word >> {lane, 3'b000};
wire [3:0] glyph = cell_byte[3:0];
wire [2:0] gcolor = cell_byte[6:4];
// 全局背景色（字模点为 0 时显示的颜色）
wire [2:0] bgcolor = ctrl_i[7:4];
// ---------------------------------------------------------------------------
// 8x8 字模（bit7 = 最左像素），放大 2 倍填满 16x16 的格子
// ---------------------------------------------------------------------------
wire [2:0] fx = hx[3:1];
wire [2:0] fy = vy[3:1];
function [7:0] font_row;
input [3:0] g;
input [2:0] r;
begin
case (g)
4'd0:
font_row = 8'h00; // 空白
4'd1:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h18 : (r == 3'd1) ? 8'h38 : (r == 3'd2) ? 8'h18 :
(r == 3'd3) ? 8'h18 : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h18 :
(r == 3'd6) ? 8'h7E : 8'h00; // 1
4'd2:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h06 :
(r == 3'd3) ? 8'h0C : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h30 :
(r == 3'd6) ? 8'h7E : 8'h00; // 2
4'd3:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h06 :
(r == 3'd3) ? 8'h1C : (r == 3'd4) ? 8'h06 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 3
4'd4:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h0C : (r == 3'd1) ? 8'h1C : (r == 3'd2) ? 8'h3C :
(r == 3'd3) ? 8'h6C : (r == 3'd4) ? 8'h7E : (r == 3'd5) ? 8'h0C :
(r == 3'd6) ? 8'h0C : 8'h00; // 4
4'd5:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h7E : (r == 3'd1) ? 8'h60 : (r == 3'd2) ? 8'h7C :
(r == 3'd3) ? 8'h06 : (r == 3'd4) ? 8'h06 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 5
4'd6:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h1C : (r == 3'd1) ? 8'h30 : (r == 3'd2) ? 8'h60 :
(r == 3'd3) ? 8'h7C : (r == 3'd4) ? 8'h66 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 6
4'd7:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h7E : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h0C :
(r == 3'd3) ? 8'h18 : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h18 :
(r == 3'd6) ? 8'h18 : 8'h00; // 7
4'd8:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h66 :
(r == 3'd3) ? 8'h3C : (r == 3'd4) ? 8'h66 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 8
4'd9:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'hFF : (r == 3'd1) ? 8'h81 : (r == 3'd2) ? 8'hBD :
(r == 3'd3) ? 8'hA5 : (r == 3'd4) ? 8'hA5 : (r == 3'd5) ? 8'hBD :
(r == 3'd6) ? 8'h81 : 8'hFF; // 未揭开的方块
4'd10:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h40 : (r == 3'd1) ? 8'h70 : (r == 3'd2) ? 8'h78 :
(r == 3'd3) ? 8'h70 : (r == 3'd4) ? 8'h40 : (r == 3'd5) ? 8'h40 :
(r == 3'd6) ? 8'h40 : 8'h00; // 旗
4'd11:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h7E : (r == 3'd2) ? 8'hFF :
(r == 3'd3) ? 8'hFF : (r == 3'd4) ? 8'hFF : (r == 3'd5) ? 8'hFF :
(r == 3'd6) ? 8'h7E : 8'h3C; // 雷
4'd12:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h81 : (r == 3'd1) ? 8'h42 : (r == 3'd2) ? 8'h24 :
(r == 3'd3) ? 8'h18 : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h24 :
(r == 3'd6) ? 8'h42 : 8'h81; // 爆炸
4'd13:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h06 :
(r == 3'd3) ? 8'h0C : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h00 :
(r == 3'd6) ? 8'h18 : 8'h00; // 问号
4'd14:
font_row = (r == 3'd3) ? 8'hFF : (r == 3'd4) ? 8'hFF : 8'h00; // 横线
4'd15:
font_row = 8'hFF; // 实心
default:
font_row = 8'h00;
endcase
end
endfunction
wire [7:0] frow = font_row(glyph, fy);
wire glyph_px = frow[3'd7 - fx]; // 1 = 画字模点
// ---------------------------------------------------------------------------
// 光标框（闪动）
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [24:0] blink_q;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset)
blink_q <= 25'd0;
else if (tick)
blink_q <= blink_q + 25'd1;
end
wire blink = blink_q[24];
wire cursor_here = (cursor_i[4:0] == ccol) && (cursor_i[12:8] == crow);
wire on_border = (hx[3:0] == 4'd0) || (hx[3:0] == 4'd15) ||
(vy[3:0] == 4'd0) || (vy[3:0] == 4'd15);
wire cursor_box = cursor_here && blink && ctrl_i[0] && on_border;
// ---------------------------------------------------------------------------
// 颜色（3 位调色板 -> 4:4:4 RGB）
// ---------------------------------------------------------------------------
function [11:0] pal;
input [2:0] c;
begin
case (c)
3'd0:
pal = {4'h0, 4'h0, 4'h0}; // 黑
3'd1:
pal = {4'h0, 4'h0, 4'hA}; // 深蓝
3'd2:
pal = {4'h0, 4'hA, 4'h0}; // 绿
3'd3:
pal = {4'h0, 4'hA, 4'hA}; // 青
3'd4:
pal = {4'hA, 4'h0, 4'h0}; // 红
3'd5:
pal = {4'hA, 4'h0, 4'hA}; // 洋红
3'd6:
pal = {4'hA, 4'hA, 4'h0}; // 黄
default:
pal = {4'hA, 4'hA, 4'hA}; // 浅灰
endcase
end
endfunction
wire [2:0] px_color = glyph_px ? gcolor : bgcolor;
wire [2:0] px_final = cursor_box ? 3'd7 : px_color;
wire [11:0] px_rgb = de ? pal(px_final) : 12'h000;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
{vga_r, vga_g, vga_b} <= 12'h000;
vga_hs <= 1'b1;
vga_vs <= 1'b1;
frame_tick_o <= 1'b0;
end
else if (tick) begin
{vga_r, vga_g, vga_b} <= px_rgb;
vga_hs <= hs_n;
vga_vs <= vs_n;
frame_tick_o <= (hx == H_TOTAL - 1) && (vy == V_TOTAL - 1);
end
end
endmodule
`default_nettype wire
Tcl 一键重建