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
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saolei/sw/isr.c
+129
View File
@@ -0,0 +1,129 @@
/* -----------------------------------------------------------------------------
* isr.c —— 中断服务程序：从 MMIO 读鼠标事件（**这就是"中断读鼠标操作的指令"**）
*
* 这颗核的中断硬件行为（见 srcs/rtl/cpu21_riscv_irq_ctrl.v）：
* * irq_i 上升沿 -> 挂起位置 1；响应中断时硬件自动清挂起位、清 ustatus[0]（MIE）、
* 把返回地址压进内部 EPC 栈；
* * 从 uepc 返回用 `uret`（编码 0x00200073，不在标准 C 里，只能内联汇编）；
* * **硬件不保存任何通用寄存器**，所以软件必须自己保证不破坏被打断的代码。
*
* 因此这里分了三个固定地址的入口 + 一个纯 C 主体：
* 1) isr1_entry（.text.isr1 = 0x100）：**关卡（游戏）入口**，调 level_main()。
* 游戏是一整段会调用别的函数的 C 程序，所以入口把**所有调用者保存寄存器**
* （ra、t0-t6、a0-a7）都存起来，并用 csrrsi 打开 MIE 让鼠标中断能嵌套；
* 2) isr2_entry（.text.isr2 = 0x200）：**鼠标读取**，只存 ra 后调下面的 isr_body；
* 3) isr3_entry（.text.isr3 = 0x300）：备用，直接 uret；
* 4) isr_body：**纯 C**，本文件用 -ffixed-x1,x5..x7,x10..x17,x28..x31 编译，
* 逼 GCC 只用 s0-s11（callee-saved，函数自己会存/恢复）和 sp，于是被打断的
* 代码的调用者保存寄存器绝对不会被破坏 —— 这样主体就是安全的纯 C 叶子函数。
*
* 主体要做的事：把硬件事件 FIFO（深度 16）里的项全部搬到软件环形队列，
* 主循环再从队列里取。FIFO 读空后中断线自动回 0，下一个事件会重新产生上升沿，
* 所以不会丢事件。
* ---------------------------------------------------------------------------*/
#include "mmio.h"
/* ---- 与 saolei.c 共用的软件事件队列（定义在这里，声明在 mmio.h） ---- */
volatile unsigned g_evq[EVQ_SIZE];
volatile unsigned g_evq_head; /* 主循环消费 */
volatile unsigned g_evq_tail; /* 中断生产 */
volatile unsigned g_evq_lost; /* 队列满丢弃计数（调试） */
/* 中断主体：纯 C 叶子函数（不调用任何函数），只使用 s 寄存器和 sp。
* 编译本文件时必须加 -ffixed-x1 -ffixed-x5..x7 -ffixed-x10..x17 -ffixed-x28..x31
* （见 tools/build.ps1），否则它会用到调用者保存寄存器从而破坏被打断的代码。 */
__attribute__((used, noinline)) void isr_body(void);
void isr_body(void)
{
unsigned ev, next;
/* 硬件 FIFO 非空就一直搬（STATUS[0] = 非空） */
while ((REG_R(REG_STATUS) & 1u) != 0u)
{
ev = REG_R(REG_MDATA); /* lw：{btn[20:16], dy[15:8], dx[7:0]} */
next = (g_evq_tail + 1u) & EVQ_MASK;
if (next != g_evq_head)
{
g_evq[g_evq_tail] = ev;
g_evq_tail = next;
}
else
{
g_evq_lost = g_evq_lost + 1u; /* 软件队列满：丢弃并计数 */
}
REG_W(REG_MACK) = 1u; /* sw：弹出硬件 FIFO 一项 */
}
}
/* ---------------------------------------------------------------------------
* 三个中断入口，分别在链接脚本固定住的 0x100 / 0x200 / 0x300。
*
* IRQ1 = 0x100：**关卡（游戏）入口**。游戏是一整段会调用别的函数的 C 程序，
* 所以入口必须把**所有调用者保存寄存器**（ra、t0-t6、a0-a7）都存起来，
* 否则返回时会把被打断的背景程序弄坏。进入中断时硬件已把 MIE 清 0，这里再
* 重新打开，鼠标中断（IRQ2 优先级更高）才能嵌套进来；uret 时硬件会从内部
* 栈里恢复原来的 MIE。
* IRQ2 = 0x200：**鼠标读取**。C 主体用 -ffixed 编译（只用 s 寄存器和 sp），
* 所以入口只要保存 ra。
* IRQ3 = 0x300：备用（保留给拨码开关等外部源）。
* ------------------------------------------------------------------------- */
extern void level_main(void);
__attribute__((naked, section(".text.isr1"), used, noinline)) void isr1_entry(void)
{
__asm__ volatile(
"addi sp, sp, -64\n\t"
"sw ra, 0(sp)\n\t"
"sw t0, 4(sp)\n\t"
"sw t1, 8(sp)\n\t"
"sw t2, 12(sp)\n\t"
"sw t3, 16(sp)\n\t"
"sw t4, 20(sp)\n\t"
"sw t5, 24(sp)\n\t"
"sw t6, 28(sp)\n\t"
"sw a0, 32(sp)\n\t"
"sw a1, 36(sp)\n\t"
"sw a2, 40(sp)\n\t"
"sw a3, 44(sp)\n\t"
"sw a4, 48(sp)\n\t"
"sw a5, 52(sp)\n\t"
"sw a6, 56(sp)\n\t"
"sw a7, 60(sp)\n\t"
"csrrsi x0, 0x004, 1\n\t" /* ustatus[0]=MIE：允许鼠标中断嵌套 */
"jal ra, level_main\n\t"
"lw a7, 60(sp)\n\t"
"lw a6, 56(sp)\n\t"
"lw a5, 52(sp)\n\t"
"lw a4, 48(sp)\n\t"
"lw a3, 44(sp)\n\t"
"lw a2, 40(sp)\n\t"
"lw a1, 36(sp)\n\t"
"lw a0, 32(sp)\n\t"
"lw t6, 28(sp)\n\t"
"lw t5, 24(sp)\n\t"
"lw t4, 20(sp)\n\t"
"lw t3, 16(sp)\n\t"
"lw t2, 12(sp)\n\t"
"lw t1, 8(sp)\n\t"
"lw t0, 4(sp)\n\t"
"lw ra, 0(sp)\n\t"
"addi sp, sp, 64\n\t"
"uret\n\t");
}
__attribute__((naked, section(".text.isr2"), used, noinline)) void isr2_entry(void)
{
__asm__ volatile(
"addi sp, sp, -8\n\t" /* 保存被打断代码的 ra（jal 会覆盖它） */
"sw ra, 0(sp)\n\t"
"jal ra, isr_body\n\t" /* 调纯 C 主体（它自己保存 s 寄存器） */
"lw ra, 0(sp)\n\t"
"addi sp, sp, 8\n\t"
"uret\n\t"); /* 从 uepc 返回：这颗核的中断返回指令 */
}
__attribute__((naked, section(".text.isr3"), used, noinline)) void isr3_entry(void)
{
__asm__ volatile("uret\n\t");
}
saolei/sw/linker.ld
+99
View File
@@ -0,0 +1,99 @@
/* -----------------------------------------------------------------------------
* linker.ld —— 扫雷程序的内存布局
*
* 这颗 CPU 是"哈佛"结构：指令从 ROM 取（instr_addr_o），数据访问 RAM
* （data_addr_o），两个地址空间都从 0 开始，所以这里用两个 MEMORY 区域，
* 都在 0 处开头。
*
* ROM 0x0000_0000 32 KB（= cpu21_board_top 的 ROM_WORDS = 8192 字）
* +0x0000 .text.init 复位入口 _start
* +0x0100 .text.isr1 中断入口 isr1_entry（关卡/游戏，**必须等于 IRQ1_VECTOR**）
* +0x0200 .text.isr2 中断入口 isr2_entry（鼠标读取，必须等于 IRQ2_VECTOR）
* +0x0300 .text.isr3 中断入口 isr3_entry（备用，必须等于 IRQ3_VECTOR）
* +0x0400 .text 其余代码（紧跟 isr3 之后）
*
* RAM 0x0000_0000 4 KB（= saolei_board_top 的 RAM_WORDS = 1024 字）
* +0x0000 .bss 全局变量（全部零初始化，不需要 ROM 里的初值）
* +0x0FFC __stack_top 栈顶（向下增长）
*
* 两个断言很关键（都是这颗 CPU 的硬限制）：
* 1) 不能有 .data —— 数据空间读不到 ROM，没有地方放"带初值的变量"，
* 所有全局变量必须零初始化；
* 2) 不能有 .rodata —— 同理，程序里不能出现字符串/常量表
* （字模在 RTL 里，不在软件里）。
* ---------------------------------------------------------------------------*/
ENTRY(_start)
MEMORY
{
ROM (rx) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 32K
RAM (rwx) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 4K
}
SECTIONS
{
/* ------------------------- 数据段（RAM） ------------------------- */
. = 0x00000000;
.bss (NOLOAD) :
{
__bss_start = .;
*(.sbss)
*(.sbss.*)
*(.bss)
*(.bss.*)
*(COMMON)
. = ALIGN(4);
__bss_end = .;
} > RAM
/* 有初值的变量：不允许（见文件头的说明） */
.data : { *(.data) *(.data.*) *(.sdata) *(.sdata.*) } > RAM
/* 只读数据：不允许（没有 auipc / 数据空间读不到 ROM） */
.rodata : { *(.rodata) *(.rodata.*) } > RAM
ASSERT(SIZEOF(.data) == 0, "错误：程序里出现了带初值的全局变量（.data），这颗核没有地方存放它")
ASSERT(SIZEOF(.rodata) == 0, "错误：程序里出现了字符串或常量表（.rodata），这颗核读不到 ROM 里的数据")
/* ------------------------- 代码段（ROM） -------------------------
* 三个中断入口的地址**必须写在段声明里**（.text.isr1 0x100 : ...）：
* 只写 ". = 0x100;" 这种位置计数器赋值，在段带 "> ROM" 时会被 ld 忽略，
* 它会按区域顺序把段紧挨着排下去（实测 isr1 掉到了 0x14）。
* 这三个地址要和顶层 cpu21_board_top 的 IRQ1/2/3_VECTOR 参数一致。 */
.text.init 0x00000000 :
{
KEEP(*(.text.init))
} > ROM
.text.isr1 0x00000100 : /* IRQ1：关卡（游戏）入口 */
{
KEEP(*(.text.isr1))
} > ROM
.text.isr2 0x00000200 : /* IRQ2：鼠标读取 */
{
KEEP(*(.text.isr2))
} > ROM
.text.isr3 0x00000300 : /* IRQ3：备用 */
{
KEEP(*(.text.isr3))
} > ROM
.text :
{
*(.text)
*(.text.*)
. = ALIGN(4);
} > ROM
/* ------------------------- 符号 ------------------------- */
__stack_top = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - 4; /* 0x0FFC */
__isr_vector = 0x00000100;
/* .bss 不能长到撞到栈 */
ASSERT(__bss_end < (__stack_top - 0x200),
"错误：.bss 太大，会覆盖栈；请缩小棋盘或加大 RAM_WORDS")
}
saolei/sw/mmio.h
+108
View File
@@ -0,0 +1,108 @@
/* -----------------------------------------------------------------------------
* mmio.h —— 扫雷程序的全部 MMIO 地址与编码定义（**只改这一个文件就能换地址**）
*
* 约定：本文件里的所有地址都是"数据空间"的字节地址，和 CPU 的 data_addr_o 一致。
* 写用 *(volatile unsigned *)addr（sw 全字写）或 *(volatile unsigned char *)addr
* （sb 字节写，显存必须用这个）。
*
* -----------------------------------------------------------------------------
* 地址表（与 pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v 里的译码完全一致）：
*
* 0x0000_0000 - 0x0000_0FFF 数据 RAM（4 KB，栈 + 全局变量）
* 0x0000_1000 LED 数据寄存器（低 16 位点亮 LED）
* 0x0000_1004 七段数码管：8 位十六进制（低 4 位 = 最右）
* 0x0000_1100 + 0x00 STATUS [0] 事件FIFO非空 [5:1] 项数 [6] 中断使能 [7] 满
* 0x0000_1100 + 0x04 DATA [7:0] dx [15:8] dy [20:16] 按键（读无副作用）
* 0x0000_1100 + 0x08 ACK 写任意值 -> 弹出一次事件
* 0x0000_1100 + 0x0C CTRL [0] 鼠标中断使能
* 0x0000_1100 + 0x10 INPUT [15:0] 拨码开关 [20:16] 按键
* 0x0000_1100 + 0x14 TIME 自由计数器（随机种子）
* 0x0000_1100 + 0x18 FRAME VGA 帧计数（闪烁用）
* 0x0000_1100 + 0x1C EVENTCNT 累计事件数
* 0x0000_1100 + 0x20 LEVEL 写 1 -> 触发"关卡入口"软件中断（IRQ2）
* 0x0000_1100 + 0x24 MAGIC 0xCAFE0002（自检：读得到说明 MMIO 活着）
* 0x0000_1140 + 0x00 DISP_CTRL [0] 光标可见 [6:4] 背景色
* 0x0000_1140 + 0x04 DISP_CURSOR [5:0] 列 [13:8] 行
* 0x0000_1140 + 0x08 DISP_MAGIC 0xCAFE0001
* 0x0000_2000 - 0x0000_27FF 显存：40 列 x 30 行，每格 1 字节，共 1200 字节
*
* 鼠标事件单位：1/8 格（按键一次 = 8 = 移动一格；PS/2 鼠标用原始计数）。
* 左键点击 -> 事件的 btn 位 0 置 1；右键（PS/2）-> 位 1。
*
* ⚠ 如果你的外设地址和上表不同：只改下面这几个宏，.c 文件不用动。
* ⚠ 三个中断入口必须与 linker.ld 里 .text.isr1/2/3 的地址一致：
* IRQ1(0x100) = 关卡（游戏）入口，IRQ2(0x200) = 鼠标读取，IRQ3(0x300) = 备用。
* 顶层 cpu21_board_top 的 IRQ1/2/3_VECTOR 参数也要跟着改（默认就是这个布局）。
* ---------------------------------------------------------------------------*/
#ifndef SAOLEI_MMIO_H
#define SAOLEI_MMIO_H
/* ---- LED / 七段数码管 ---- */
#define LED_ADDR 0x00001000u
#define REG_SEG 0x00001004u
/* ---- 显存 ---- */
#define FB_BASE 0x00002000u /* 显存起始（字节地址） */
#define FB_PITCH 40u /* 每行 40 格 */
#define FB_ROWS 30u /* 30 行 */
#define GRID_COLS 40u
#define GRID_ROWS 30u
/* ---- 鼠标寄存器组 ---- */
#define REG_STATUS 0x00001100u
#define REG_MDATA 0x00001104u
#define REG_MACK 0x00001108u
#define REG_MCTRL 0x0000110Cu
#define REG_INPUT 0x00001110u
#define REG_TIME 0x00001114u
#define REG_FRAME 0x00001118u
#define REG_EVCNT 0x0000111Cu
#define REG_LEVEL 0x00001120u
#define REG_MMAGIC 0x00001124u
/* ---- 显示控制器寄存器 ---- */
#define REG_CTRL 0x00001140u
#define REG_CURSOR 0x00001144u
#define REG_DMAGIC 0x00001148u
/* ---- 访问宏 ---- */
#define REG_R(a) (*(volatile unsigned *)((unsigned)(a)))
#define REG_W(a) (*(volatile unsigned *)((unsigned)(a)))
/* 显存按字节写（只能 sb，不能 lb —— 这颗核没有 lb/lbu） */
static inline void fb_write(unsigned idx, unsigned val)
{
*(volatile unsigned char *)(FB_BASE + idx) = (unsigned char)(val & 0xFFu);
}
/* ---- 格子编码：1 字节 = [3:0] 字形 [6:4] 颜色 [7] 保留 ---- */
#define G_BLANK 0u /* 空 */
#define G_N1 1u /* 数字 1..8 = 1..8 */
#define G_COVER 9u /* 未揭开 */
#define G_FLAG 10u /* 旗 */
#define G_MINE 11u /* 雷 */
#define G_BOOM 12u /* 爆炸 */
#define G_QUEST 13u /* 问号 */
#define G_BAR 14u /* 横线 */
#define G_SOLID 15u /* 实心 */
#define C_BLACK 0u
#define C_BLUE 1u
#define C_GREEN 2u
#define C_CYAN 3u
#define C_RED 4u
#define C_MAGENTA 5u
#define C_YELLOW 6u
#define C_GRAY 7u
#define CELL(g, c) ((unsigned)((g) | ((c) << 4)))
/* ---- 软件事件环形队列：中断服务程序（isr.c）生产，主循环（saolei.c）消费 ---- */
#define EVQ_SIZE 64u
#define EVQ_MASK (EVQ_SIZE - 1u)
extern volatile unsigned g_evq[EVQ_SIZE];
extern volatile unsigned g_evq_head; /* 主循环消费 */
extern volatile unsigned g_evq_tail; /* 中断生产 */
extern volatile unsigned g_evq_lost; /* 队列满丢弃计数（调试用） */
#endif /* SAOLEI_MMIO_H */
saolei/sw/saolei.c
+635
View File
@@ -0,0 +1,635 @@
/* -----------------------------------------------------------------------------
* saolei.c —— 纯 C 扫雷（RV32IM 子集：只用这颗核实现了的指令）
*
* 显示：把每个格子写成显存里的 1 个字节（MMIO 0x2000 起）
* 输入：鼠标事件（中断驱动）——中断里搬到软件队列，主循环在下面处理
*
* 针对这颗 CPU 的硬约束（很重要，改代码时别踩）：
* 1) 存储只有 lw / sw / sb，**没有 lb/lh/lbu/lhu** ——
* 所以只按字节"写"显存，从不按字节"读"；所有状态都用 32 位字保存。
* 2) **没有 auipc** —— 编译时必须 -fno-pic -mcmodel=medlow，并且不能出现
* 只读数据（.rodata），所以本文件没有任何字符串/常量表（字模在 RTL 里）。
* 3) 乘除只有 mul/mulh/mulhsu/mulhu 和**无符号**的 divu/remu ——
* 所以本文件所有索引运算都用"2 的幂 + 移位/掩码"，一次除法都不用。
* 4) 没有 fence/ebreak 等；中断返回是 uret（在 isr.c 里）。
*
* 棋盘：16 x 16，40 颗雷（16 是 2 的幂 => 索引全用移位，颜色/字形查表也不用除法）
* 网格：40 列 x 30 行，棋盘居中放在 (行 7..22, 列 12..27)
* ---------------------------------------------------------------------------*/
#include "mmio.h"
#define BW 16u /* 棋盘宽（格） */
#define BH 16u /* 棋盘高（格） */
#define NCELLS (BW * BH) /* 256 */
#define NMINES 40u
#define BM_WORDS (NCELLS / 32u) /* 8 */
#define BOARD_C0 12u /* 棋盘左上角在网格里的列 */
#define BOARD_R0 7u /* 棋盘左上角在网格里的行 */
/* 游戏状态 */
#define ST_PLAY 0u
#define ST_WIN 1u
#define ST_LOSE 2u
/* ---- 棋盘状态：3 个位图，每个 8 个字（256 位） ---- */
static unsigned mine_bm[BM_WORDS];
static unsigned open_bm[BM_WORDS];
static unsigned flag_bm[BM_WORDS];
/* 其它全局状态（全部进 .bss，靠 start.c 清零） */
static unsigned opened_cnt;
static unsigned flags_cnt;
static unsigned g_state;
static unsigned g_first_done;
static unsigned rnd_state;
static unsigned cur_r, cur_c; /* 光标所在的网格格 */
static int acc_x, acc_y; /* 指针累积量（1/8 格，有符号） */
static unsigned bfs_q[NCELLS]; /* 揭开用的队列 */
/* ============================ 小工具 ============================ */
/* 位图取位/置位/清位：i = r*16 + c，全部用移位和掩码 */
static unsigned bget(const unsigned *bm, unsigned i)
{
return (bm[i >> 5] >> (i & 31u)) & 1u;
}
static void bset(unsigned *bm, unsigned i)
{
bm[i >> 5] |= (1u << (i & 31u));
}
static void bclr(unsigned *bm, unsigned i)
{
bm[i >> 5] &= ~(1u << (i & 31u));
}
static void draw_cell(unsigned gr, unsigned gc, unsigned glyph, unsigned color)
{
fb_write(gr * GRID_COLS + gc, CELL(glyph, color));
}
/* 把棋盘格 (r,c) 画出来 */
static void draw_tile(unsigned r, unsigned c, unsigned glyph, unsigned color)
{
draw_cell(BOARD_R0 + r, BOARD_C0 + c, glyph, color);
}
static unsigned num_color(unsigned n)
{
if (n == 1u)
return C_BLUE;
if (n == 2u)
return C_GREEN;
if (n == 3u)
return C_RED;
if (n == 4u)
return C_MAGENTA;
if (n == 5u)
return C_YELLOW;
if (n == 6u)
return C_CYAN;
return C_GRAY;
}
static unsigned in_board(void)
{
if (cur_r < BOARD_R0)
return 0u;
if (cur_r >= (BOARD_R0 + BH))
return 0u;
if (cur_c < BOARD_C0)
return 0u;
if (cur_c >= (BOARD_C0 + BW))
return 0u;
return 1u;
}
static unsigned cur_index(void)
{
return ((cur_r - BOARD_R0) << 4) + (cur_c - BOARD_C0); /* *BW(=16) 用移位 */
}
/* LCG 随机数：只用 mul/add/移位 */
static unsigned rnd_next(void)
{
rnd_state = rnd_state * 1103515245u + 12345u;
return rnd_state >> 16;
}
/* ============================ 画面 ============================ */
static void clear_screen(void)
{
unsigned i;
for (i = 0u; i < (GRID_COLS * GRID_ROWS); i = i + 1u)
{
fb_write(i, 0u);
}
}
static void draw_frame(void)
{
unsigned gc, gr;
for (gc = (BOARD_C0 - 1u); gc <= (BOARD_C0 + BW); gc = gc + 1u)
{
draw_cell(BOARD_R0 - 1u, gc, G_SOLID, C_CYAN);
draw_cell(BOARD_R0 + BH, gc, G_SOLID, C_CYAN);
}
for (gr = (BOARD_R0 - 1u); gr <= (BOARD_R0 + BH); gr = gr + 1u)
{
draw_cell(gr, BOARD_C0 - 1u, G_SOLID, C_CYAN);
draw_cell(gr, BOARD_C0 + BW, G_SOLID, C_CYAN);
}
}
static void draw_all_covered(void)
{
unsigned r, c;
for (r = 0u; r < BH; r = r + 1u)
{
for (c = 0u; c < BW; c = c + 1u)
{
draw_tile(r, c, G_COVER, C_GRAY);
}
}
}
static void update_cursor_reg(void)
{
REG_W(REG_CURSOR) = (cur_c & 31u) | ((cur_r & 31u) << 8);
}
static void set_bg(unsigned color)
{
REG_W(REG_CTRL) = (color << 4) | 1u; /* bit0 = 光标显示 */
}
/* ============================ 游戏逻辑 ============================ */
static unsigned count_adj(unsigned i)
{
unsigned r = i >> 4, c = i & 15u, n = 0u, rr, cc;
unsigned r0 = (r == 0u) ? 0u : (r - 1u);
unsigned r1 = (r + 1u >= BH) ? (BH - 1u) : (r + 1u);
unsigned c0 = (c == 0u) ? 0u : (c - 1u);
unsigned c1 = (c + 1u >= BW) ? (BW - 1u) : (c + 1u);
for (rr = r0; rr <= r1; rr = rr + 1u)
{
for (cc = c0; cc <= c1; cc = cc + 1u)
{
if ((rr == r) && (cc == c))
continue;
n = n + bget(mine_bm, (rr << 4) + cc);
}
}
return n;
}
static void lose(unsigned hit)
{
unsigned k;
for (k = 0u; k < NCELLS; k = k + 1u)
{
if (bget(mine_bm, k))
{
if (k == hit)
{
draw_tile(k >> 4, k & 15u, G_BOOM, C_RED);
}
else if (!bget(flag_bm, k))
{
draw_tile(k >> 4, k & 15u, G_MINE, C_RED);
}
}
}
REG_W(LED_ADDR) = 0xDEADu;
g_state = ST_LOSE;
}
static void win(void)
{
unsigned k;
for (k = 0u; k < NCELLS; k = k + 1u)
{
if (bget(mine_bm, k))
{
draw_tile(k >> 4, k & 15u, G_FLAG, C_YELLOW);
}
}
REG_W(LED_ADDR) = 0xF00Du;
g_state = ST_WIN;
}
static void reveal_at(unsigned i)
{
unsigned qh = 0u, qt = 0u, cur, n, r, c, rr, cc, ni;
unsigned r0, r1, c0, c1;
if (bget(open_bm, i) || bget(flag_bm, i))
return;
if (bget(mine_bm, i))
{
lose(i);
return;
}
bfs_q[qt] = i;
qt = qt + 1u;
while (qh < qt)
{
cur = bfs_q[qh];
qh = qh + 1u;
if (bget(open_bm, cur))
continue;
bset(open_bm, cur);
opened_cnt = opened_cnt + 1u;
n = count_adj(cur);
draw_tile(cur >> 4, cur & 15u, n, num_color(n));
if (n != 0u)
continue;
/* 空白格：把周围 8 格入队（队列有界，满了就丢，不会越界） */
r = cur >> 4;
c = cur & 15u;
r0 = (r == 0u) ? 0u : (r - 1u);
r1 = (r + 1u >= BH) ? (BH - 1u) : (r + 1u);
c0 = (c == 0u) ? 0u : (c - 1u);
c1 = (c + 1u >= BW) ? (BW - 1u) : (c + 1u);
for (rr = r0; rr <= r1; rr = rr + 1u)
{
for (cc = c0; cc <= c1; cc = cc + 1u)
{
if ((rr == r) && (cc == c))
continue;
ni = (rr << 4) + cc;
if (qt < NCELLS)
{
bfs_q[qt] = ni;
qt = qt + 1u;
}
}
}
}
if (opened_cnt == (NCELLS - NMINES))
win();
}
static void place_mines(unsigned safe)
{
unsigned placed = 0u, i, r, c;
unsigned sr = safe >> 4;
unsigned sc = safe & 15u;
while (placed < NMINES)
{
i = rnd_next() & 255u; /* NCELLS = 256，正好 2 的幂，不需要取模 */
r = i >> 4;
c = i & 15u;
/* 首点及其 8 邻居不放雷，保证第一次点击一定能展开 */
if ((r + 1u >= sr) && (r <= (sr + 1u)) &&
(c + 1u >= sc) && (c <= (sc + 1u)))
continue;
if (bget(mine_bm, i))
continue;
bset(mine_bm, i);
placed = placed + 1u;
}
}
static void click_here(void)
{
unsigned i;
if (!in_board())
return;
i = cur_index();
if (bget(flag_bm, i))
return;
if (!g_first_done)
{
place_mines(i);
g_first_done = 1u;
}
reveal_at(i);
}
static void toggle_flag(void)
{
unsigned i, r, c;
if (!in_board())
return;
i = cur_index();
if (bget(open_bm, i))
return;
r = cur_r - BOARD_R0;
c = cur_c - BOARD_C0;
if (bget(flag_bm, i))
{
bclr(flag_bm, i);
flags_cnt = flags_cnt - 1u;
draw_tile(r, c, G_COVER, C_GRAY);
}
else
{
bset(flag_bm, i);
flags_cnt = flags_cnt + 1u;
draw_tile(r, c, G_FLAG, C_YELLOW);
}
REG_W(LED_ADDR) = NMINES - flags_cnt;
}
/* ============================ 鼠标事件 ============================ */
/* 关卡内：光标允许落在盘面外那一圈边框上（左上角那格是"返回"） */
static void move_cursor(int dr, int dc)
{
int nr = (int)cur_r + dr;
int nc = (int)cur_c + dc;
if (nr < (int)(BOARD_R0 - 1u))
nr = (int)(BOARD_R0 - 1u);
if (nr > (int)(BOARD_R0 + BH))
nr = (int)(BOARD_R0 + BH);
if (nc < (int)(BOARD_C0 - 1u))
nc = (int)(BOARD_C0 - 1u);
if (nc > (int)(BOARD_C0 + BW))
nc = (int)(BOARD_C0 + BW);
cur_r = (unsigned)nr;
cur_c = (unsigned)nc;
update_cursor_reg();
}
/* ======================= 运行环境状态（背景 / 关卡） =======================
* 程序分成两层，正好对应"伪操作系统 + 关卡"的设想：
* 背景程序 main() 从头跑到尾：画开始界面、等鼠标；
* 关卡程序 level_main() 跑在 IRQ1(0x100) 的中断服务程序里：点"开始"进入，
* 点"返回"就 uret 回到背景被打断的那条指令。
* ========================================================================= */
static unsigned g_in_level; /* 0 = 背景界面，1 = 关卡内 */
static unsigned g_exit; /* 关卡内请求返回 */
/* 背景界面上"开始"按钮的位置（行 20，列 17..22） */
#define START_R 20u
#define START_C0 17u
#define START_C1 22u
/* 背景用：光标可以在整个画面上移动 */
static void move_cursor_screen(int dr, int dc)
{
int nr = (int)cur_r + dr;
int nc = (int)cur_c + dc;
if (nr < 0)
nr = 0;
if (nr > (int)(GRID_ROWS - 1u))
nr = (int)(GRID_ROWS - 1u);
if (nc < 0)
nc = 0;
if (nc > (int)(GRID_COLS - 1u))
nc = (int)(GRID_COLS - 1u);
cur_r = (unsigned)nr;
cur_c = (unsigned)nc;
update_cursor_reg();
}
/* 处理一个鼠标事件：ev = {btn[20:16], dy[15:8], dx[7:0]} */
static void handle_event(unsigned ev)
{
unsigned ux = ev & 0xFFu;
unsigned uy = (ev >> 8) & 0xFFu;
unsigned btn = (ev >> 16) & 31u;
int dx = (ux & 0x80u) ? ((int)ux - 256) : (int)ux;
int dy = (uy & 0x80u) ? ((int)uy - 256) : (int)uy;
unsigned want_flag = (REG_R(REG_INPUT) & 9u) != 0u; /* SW0 或 SW3 = 插旗模式 */
if ((btn & 1u) != 0u)
{ /* 左键 */
if (g_in_level == 0u)
{
/* 背景：点到"开始"按钮 -> 拉起软件中断，跳到 IRQ1 里的关卡程序 */
if ((cur_r == START_R) && (cur_c >= START_C0) && (cur_c <= START_C1))
{
g_in_level = 1u; /* 关卡程序返回时自己清 0 */
REG_W(REG_LEVEL) = 1u;
}
}
else if ((cur_r == (BOARD_R0 - 1u)) && (cur_c == (BOARD_C0 - 1u)))
{
g_exit = 1u; /* 关卡：点左上角黄格 = 返回上一层 */
}
else if (want_flag != 0u)
{
toggle_flag();
}
else
{
click_here();
}
return;
}
if ((btn & 2u) != 0u)
{ /* 右键（PS/2 鼠标有；按键没有） */
if (g_in_level != 0u)
toggle_flag();
return;
}
/* 移动：单位是 1/8 格，累计到 8 就动一格（纯加减比较，没有除法） */
acc_x += dx;
acc_y += dy;
while (acc_x >= 8)
{
if (g_in_level != 0u)
move_cursor(0, 1);
else
move_cursor_screen(0, 1);
acc_x -= 8;
}
while (acc_x <= -8)
{
if (g_in_level != 0u)
move_cursor(0, -1);
else
move_cursor_screen(0, -1);
acc_x += 8;
}
while (acc_y >= 8)
{
if (g_in_level != 0u)
move_cursor(1, 0);
else
move_cursor_screen(1, 0);
acc_y -= 8;
}
while (acc_y <= -8)
{
if (g_in_level != 0u)
move_cursor(-1, 0);
else
move_cursor_screen(-1, 0);
acc_y += 8;
}
}
/* ============================ 背景程序（伪操作系统）============================
* 从头跑到尾：画开始界面 -> 等鼠标 -> 点到"开始"按钮就拉起软件中断。
* ========================================================================== */
static void draw_start_screen(void)
{
unsigned i;
clear_screen();
/* 标题区：两排雷图案，纯图形（字模里没有字母；要显示文字就得扩字模，见 README） */
for (i = 0u; i < 6u; i = i + 1u)
{
draw_cell(6u, 15u + i * 2u, G_MINE, C_RED);
draw_cell(8u, 15u + i * 2u, G_MINE, C_RED);
}
/* "开始"按钮：绿色实心条，上下各一条黄线框住它 */
for (i = START_C0; i <= START_C1; i = i + 1u)
{
draw_cell(START_R - 1u, i, G_BAR, C_YELLOW);
draw_cell(START_R, i, G_SOLID, C_GREEN);
draw_cell(START_R + 1u, i, G_BAR, C_YELLOW);
}
/* 下方提示条 */
for (i = 12u; i <= 27u; i = i + 1u)
{
draw_cell(24u, i, G_BAR, C_CYAN);
}
set_bg(C_BLACK);
cur_r = START_R;
cur_c = (START_C0 + START_C1) / 2u;
update_cursor_reg();
REG_W(LED_ADDR) = 0x0001u; /* LED = 背景状态码 */
REG_W(REG_SEG) = 0u;
}
/* ============================ 关卡（游戏）程序 ============================
* **运行在 IRQ1 的中断服务程序里**（入口 isr1_entry，固定地址 0x100）：
* 背景 main() 点"开始" -> 写 LEVEL 寄存器 -> 硬件拉起 irq_i[1]
* -> CPU 跳到 0x100 -> isr1_entry 保存现场、打开 MIE、调用本函数
* -> 这里跑完整一局（鼠标中断 0x200 优先级更高，会嵌套进来把事件放进队列，
* 所以本循环只要轮询队列）
* -> 点左上角黄格 = 返回：清 LEVEL、return -> isr1_entry 恢复现场并 uret
* -> 回到背景程序被打断的那条指令，继续等下一次"开始"。
* ========================================================================== */
#define RET_R (BOARD_R0 - 1u)
#define RET_C (BOARD_C0 - 1u)
void level_main(void)
{
unsigned r;
/* ---- 关卡初始化 ---- */
for (r = 0u; r < BM_WORDS; r = r + 1u)
{
mine_bm[r] = 0u;
open_bm[r] = 0u;
flag_bm[r] = 0u;
}
opened_cnt = 0u;
flags_cnt = 0u;
g_first_done = 0u;
g_state = ST_PLAY;
g_exit = 0u;
acc_x = 0;
acc_y = 0;
cur_r = BOARD_R0 + 8u;
cur_c = BOARD_C0 + 8u;
clear_screen();
draw_frame();
draw_all_covered();
draw_cell(RET_R, RET_C, G_BAR, C_YELLOW); /* 左上角黄格 = 返回 */
set_bg(C_BLUE);
update_cursor_reg();
REG_W(LED_ADDR) = NMINES;
REG_W(REG_SEG) = NMINES; /* 数码管显示剩余雷数 */
/* ---- 关卡主循环 ---- */
while (g_exit == 0u)
{
if (g_evq_head != g_evq_tail)
{
unsigned ev = g_evq[g_evq_head];
g_evq_head = (g_evq_head + 1u) & EVQ_MASK;
if (g_state == ST_PLAY)
{
handle_event(ev);
}
else if ((ev >> 16) & 1u)
{
g_exit = 1u; /* 分出胜负后任意点击 = 返回 */
}
}
else if (g_state != ST_PLAY)
{
/* 分出胜负后让背景闪动（用 VGA 帧计数做时间基准，不需要定时器） */
static unsigned phase;
if ((REG_R(REG_FRAME) & 31u) == 0u)
{
phase = phase ^ 1u;
if (phase != 0u)
{
set_bg((g_state == ST_WIN) ? C_GREEN : C_RED);
}
else
{
set_bg(C_BLUE);
}
}
}
}
REG_W(REG_LEVEL) = 0u; /* 清软件中断：否则下次点"开始"没有新的上升沿 */
g_in_level = 0u; /* 回到背景状态 */
draw_start_screen(); /* 恢复开始界面 */
}
/* ============================ 背景主程序 ============================ */
extern void crt_zero_bss(void);
int main(void)
{
crt_zero_bss(); /* 清 .bss（上电 RAM 本来就是 0，保险起见） */
rnd_state = REG_R(REG_TIME) | 1u; /* 用自由计数器当随机种子 */
REG_W(REG_MCTRL) = 1u; /* 打开鼠标中断（IRQ2，入口 0x200） */
REG_W(REG_LEVEL) = 0u; /* 清关卡软中断 */
g_in_level = 0u;
draw_start_screen();
/* 背景循环：只服务鼠标事件；点"开始"后会被 IRQ1 里的关卡程序"接管"，
* 关卡返回时又回到这个循环里继续。 */
for (;;)
{
if (g_evq_head != g_evq_tail)
{
unsigned ev = g_evq[g_evq_head];
g_evq_head = (g_evq_head + 1u) & EVQ_MASK;
handle_event(ev);
}
}
}
saolei/sw/start.c
+35
View File
@@ -0,0 +1,35 @@
/* -----------------------------------------------------------------------------
* start.c —— C 运行时启动：设置栈指针、把控制权交给 main。
*
* 这是全工程唯一非写不可的内联汇编（C 语言无法表达"设置 sp"）。
* 复位时 PC = 0，所以 _start 必须落在 .text.init（见 linker.ld）。
*
* 注意用的是 lui/addi 绝对寻址 + jalr，**不是** auipc —— 这颗核没有 auipc。
* ---------------------------------------------------------------------------*/
extern unsigned __stack_top[];
int main(void);
__attribute__((naked, section(".text.init"), used, noreturn)) void _start(void)
{
__asm__ volatile(
"lui sp, %hi(__stack_top)\n\t"
"addi sp, sp, %lo(__stack_top)\n\t"
"lui t0, %hi(main)\n\t"
"addi t0, t0, %lo(main)\n\t"
"jalr x0, t0, 0\n\t");
}
/* 清 .bss（纯 C）。上电时 FPGA 里的 RAM 本来就是 0，这一步只是保险。 */
extern unsigned __bss_start[];
extern unsigned __bss_end[];
void crt_zero_bss(void)
{
unsigned *p = __bss_start;
while (p < __bss_end)
{
*p = 0u;
p = p + 1u;
}
}