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

## 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
66 changed files with 19733 additions and 0 deletions
+73
View File
@@ -0,0 +1,73 @@
`timescale 1ns / 1ps
// -----------------------------------------------------------------------------
// cpu21_board_top 的仿真测试(不上板,纯 RTL 仿真)
//
// 检查内容:
// 1) 复位释放后 CPU 能从片内 ROM 取指(ROM 由 cpu21_board_rom.vh 初始化);
// 2) 程序通过 MMIO 写 LED,板载 LED 端口上能看到 16 位跑马灯序列。
//
// 默认的 board_demo 程序带约 20 ms 软件延时,仿真只需确认第一次写入;
// 若要完整验证跑马灯序列,可生成一份短延时的 ROM 并用 -d BOARD_ROM_FAST 编译:
// xvlog -d BOARD_ROM_FAST board/cpu21_board_top.v <rtl/*.v> testbench/tb_board_top.v
// -----------------------------------------------------------------------------
module tb_board_top;
reg clk100 = 1'b0;
reg rst_n = 1'b0;
reg go = 1'b0;
reg [2:0] irq_sw = 3'b000;
wire [15:0] led;
wire led_we;
always #5 clk100 = ~clk100; // 100 MHz
cpu21_board_top #(
.LED_ADDR(32'h0000_1000)
) dut (
.clk100(clk100),
.rst_n (rst_n),
.go (go),
.irq_sw(irq_sw),
.led (led),
.led_we(led_we),
// 扫雷扩展端口:本测试平台不复位测试这些功能,输入显式接 0/1,
// 避免悬空(z)传到中断控制器里影响跑马灯的比对结果。
.btnu (1'b0),
.btnd (1'b0),
.btnl (1'b0),
.btnr (1'b0),
.sw_flag (1'b0),
.ps2_clk (1'b1),
.ps2_data(1'b1),
.an (),
.seg (),
.dp (),
.vga_r (),
.vga_g (),
.vga_b (),
.vga_hs (),
.vga_vs ()
);
integer changes = 0;
reg [15:0] led_prev = 16'hxxxx;
always @(posedge clk100) begin
if (led !== led_prev) begin
changes = changes + 1;
led_prev = led;
$display("t=%t LED=%04h led_we=%b", $time, led, led_we);
end
end
initial begin
$timeformat(-9, 3, " ns", 12); // %t 按 ns 显示(默认按精度 ps 显示)
$display("NOTE: 复位后观察 LED(默认程序首次写入应为 0001)");
repeat (10) @(posedge clk100);
rst_n = 1'b1;
repeat (30000) @(posedge clk100); // 300 us(CPU 时钟为 clk100/2 = 50 MHz)
$display("FINAL: LED 变化次数=%0d 当前 LED=%04h", changes, led);
$finish;
end
endmodule