Anccend/risc-v-cpu
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feat(board): 中断综合测试程序上板 + 可变分频/刷新率；README 大幅扩写

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板级顶层（srcs/board/cpu21_board_top.v）
- ROM 增加 RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM 分支，中断入口 0x0AC/0x1E4/0x308；
  与 SAOLEI_ROM / BOARD_ROM_FAST / 默认跑马灯构成 ifdef 链
- 新增参数 CLK_DIV_INTRUPT：跑中断测试程序时用更慢的 CPU 时钟（默认 32
  = 3.125 MHz），让数码管上每个数值停留约 160 ms 便于观察
- 数码管扫描分频随 CPU 分频缩放（SEG_REFRESH_DIV = 100000/CPU_DIV），
  保证每位数码管仍是 125 Hz（不闪）；数码管改显示 MMIO 的 led_data；
  LED[2:0] 改为锁存式中断指示（请求上升沿点亮、对应 ISR 执行 uret 后熄灭）
- 复位同步器/led_we 指示等注释同步更新；srcs/rtl/cpu21_seg7.v 分频计数
  加宽到 20 位以容纳随主频变化的 REFRESH_DIV

工具与程序
- tools/adapt_intrupt_ccab.py：把课程中断测试镜像适配成上板 ROM。六处适配
  （ISR 停机 ecall、显示改 MMIO+DISP_DLY、ISR2/ISR3 出栈顺序、ISR3 SB 测试
  用未保存寄存器、ISR 破坏 ra 的 DISP_DLY_ISR），全部 2 字换 2 字，
  不移动任何指令地址；带断言与 jal 目标自检
- programs/risc-v-intrupt-ccab.asm/.hex：课程中断综合测试程序（含六处适配说明）
- create_project.tcl：新增 use_intrupt_ccab / use_saolei 开关，自动把对应
  ROM 头文件按 Verilog Header 加入 sources_1 并定义宏
- tools/rars_f0c874c.jar：课程 RARS 汇编器移到 tools/

文档（README.md）
- 新增"各模块的实现方式"：按流水线主体 / 外设 / 板级逐模块讲实现要点
- 新增"内置程序与宏的用法"：ROM 宏表（含各自的中断入口）、GUI/Tcl/命令行
  三种定义方式、中断程序的适配流程与仿真验证方法
- 新增"分频与刷新率一览"：CLK_DIV / CLK_DIV_INTRUPT / SEG_REFRESH_DIV /
  led_we 时长 / DISP_DLY 延时常量分别在哪里改、怎么换算
- 修正引脚表（LED[2:0] 中断指示、led_we 0.34 s、CPU_DIV）与 ROM/RAM 说明
  （ROM 8192 字 = 32 KB），补充中断程序上板现象与 ROM 头文件清单

验证：不带宏 / 带 RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM 两种配置 xvlog 编译均无错误；
三路嵌套与 IRQ3 抢占 ISR1 的仿真通过（level 逐级升降、uepc 正确恢复、
halted=0）；tools/check_rtl_text.ps1 体检 OK。
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README.md
+246 -20
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@@ -17,12 +17,19 @@ risc-v/
│ │ 外设：cpu21_mmio.v（MMIO 中枢）、cpu21_vga.v（显示）、
│ │ cpu21_seg7.v（数码管）、cpu21_pointer.v（按键当鼠标）、
│ │ cpu21_ps2_mouse.v（可选 PS/2 鼠标）
│ ├─ srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层（时钟分频 + 片内 ROM/RAM + 引脚）、片内 ROM 初始化
│ ├─ srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层（时钟分频 + 片内 ROM/RAM + 引脚）；四份 ROM 初始化：
│ │ cpu21_board_rom.vh / _fast.vh（跑马灯）、risc-v-intrupt-ccab.vh
│ │ （课程中断综合测试程序）、cpu21_saolei_rom.vh（扫雷）
│ ├─ srcs/constrs/*.xdc 引脚与分频时钟约束（+ Nexys4DDR 母版）
│ ├─ srcs/tb/*.v 三个测试平台
│ ├─ srcs/rom/*.hex 测试平台加载的 ROM 镜像
│ ├─ tools/ rv_asm.py（迷你汇编器）、hex2vh.py（hex → ROM 初始化）、run_regress.ps1（一键回归）
│ └─ programs/ 汇编源程序、期望值、课程原始资产（RARS）
│ ├─ tools/ rv_asm.py（迷你汇编器）、hex2vh.py（hex → ROM 初始化）、
│ │ adapt_intrupt_ccab.py（课程中断程序 → 上板 ROM）、
│ │ run_regress.ps1（一键回归）、check_rtl_text.ps1（RTL 文本体检）、
│ │ rars_f0c874c.jar（课程提供的 RARS 汇编器）
│ └─ programs/ 汇编源程序与期望值：跑马灯 demo、指令集/MMIO 测试、课程原始
│ 资产（risc-v-benchmark_ccab、真值表），以及中断综合测试程序
│ risc-v-intrupt-ccab.asm / .hex
└─ saolei/ 纯 C 扫雷（MMIO 显示 + 中断读鼠标），见下文
├─ sw/ C 源码 + 链接脚本（三个固定中断入口）
└─ tools/ build.ps1（C → ROM）、check_isa.py（指令白名单校验）
@@ -173,6 +180,89 @@ risc-v/
在 xsim 下对拆分前后逐周期对比，波形输出与最终统计（周期、停顿、气泡、分支
跳转、预测成败）完全一致。
## 各模块的实现方式
下面按“处理器流水线 → 外设 → 板级”的顺序说明每个模块的实现要点（对应上面
“文件与模块划分”表）。全部是可综合的纯 RTL，没有例化 Xilinx 原语，
因此 `xvlog`/`xelab` 可以直接仿真。
### 流水线主体
- **`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`（顶层）**：五级寄存器 IF/ID、ID/EX、EX/MEM、
MEM/WB 各自带 valid 位；下一个 PC 由一个多路选择器决定（复位 `RESET_PC`、
顺序 PC+4、分支/跳转重定向目标、`URET` 返回地址、中断入口）。停顿与冲刷分别
由 hazard unit 的 `pipeline_stall_o`、`flush_younger_o` 控制：停顿时冻结
PC/IF-ID 并给 ID/EX 插气泡；冲刷时只把年轻指令的 valid 清零，所以已经提交的
存储/寄存器写不会被执行两次。
- **`cpu21_riscv_alu`**：纯组合，4 位 `alu_op` 直接选择加减/逻辑/移位/比较；
减法用“B 取反加 1”实现，比较分有符号/无符号两条路径。乘除法不在 ALU 里
（历史上的组合 `a*b`/`a%b` 是关键路径，已拆到多周期单元）。
- **`cpu21_riscv_muldiv`**：32 拍移位迭代（乘法 shift-add、除法 restoring），
加装载与定型共占用 EX **34 拍**；期间 `ex_md_stall` 有效 → 保持 ID/EX、给
EX/MEM 插气泡、冻结取指、屏蔽中断（见“时序和使用说明”第 7 条）。接口沿用
ALU 约定：`result_o` 是低位/商、`result2_o` 是高位/余数；除零时商全 1、
余数取被除数。
- **`cpu21_riscv_decoder`**：ID 级组合译码，操作码取 `IR[6:2]`，`funct3`/
`funct7`/`IR[21]` 区分 R 型细分、M 扩展、CSR 与 `ecall`/`URET`；输出一组
控制位（`alu_op`、`alu_src`、立即数、`reg_write`、访存使能、`wb_sel`、
分支/跳转、CSR 操作、`md_op`）。
- **`cpu21_riscv_regfile`**：32×32 寄存器堆，`x0` 恒 0；两个组合读口 + 一个写口，
同周期 WB 的数据通过“写优先旁路”直送到读口，省掉一拍。
- **`cpu21_riscv_forward_unit`**：EX 级前递，把 EX/MEM 与 MEM/WB 的结果和 ID/EX
的 `rs1/rs2` 比较，EX/MEM 优先；EX/MEM 是 load 时不参与前递（load 结果要
到 MEM 才有效，改由 hazard unit 停顿一拍）；store 的数据同样可以前递。
- **`cpu21_riscv_store_unit`**：EX 级数据对齐，`sw` 产生四个字节通道、`sb` 按
`addr[1:0]` 只打开一个通道，并把数据搬到对应字节位置，输出 `data_wstrb_o`。
- **`cpu21_riscv_branch_unit`**：EX 级裁决分支方向与目标：6 条条件分支各用有
符号/无符号比较，`jal`/`jalr` 总是重定向，并把 `PC+4` 写回 `rd`（链接地址
在 EX 级预先算好放进 EX/MEM，避免在写回/前递路径上再加一个加法器）。
- **`cpu21_riscv_hazard_unit`**：load-use 冒险（ID/EX 是 load 且和 ID 级要用的
寄存器相同）插一个气泡；`flush_younger` 的优先级高于停顿：中断、`URET`、
`ecall` 停机、分支/跳转重定向都会丢弃年轻指令，此时不再插气泡。
- **`cpu21_riscv_irq_ctrl`**：`irq_i` 先打两拍同步，再与“上一拍”比较取出
**上升沿**（挂起位锁存），优先级 IRQ3 > IRQ2 > IRQ1；响应条件是“有挂起 +
`ustatus[0]`(MIE) + 嵌套深度 < 4 + 未停机 + EX 级没有重定向/停机”。
`ustatus`(0x004) 与 `uepc`(0x041) 用组合逻辑实现 CSRRS/CSRRC/CSRRW 三种读写
语义（旧值回写 `rd`）；嵌套栈保存 EPC / `ustatus` / 上一层优先级，`URET` 时
逐层恢复。响应时保存“下一条尚未执行的指令的 PC”，EX 是已正确预测的跳转
分支则保存实际目标，避免 `URET` 重复执行已提交的操作。
- **`cpu21_riscv_perf_counters`**：周期、停顿、气泡、条件分支、无条件跳转、
预测成功/失败六个计数器；`halted_o` 期间不计周期；load-use 记 1 个气泡，
重定向/中断清空记 2 个气泡。
### 外设
- **`cpu21_mmio`**：MEM 级译码；先用**字对齐**地址比较命中哪个寄存器（这样
`sb` 写到 `0x1001` 也能命中 LED 寄存器），再用 `data_wstrb_o` 决定改哪几个
字节；命中时给出 `rdata_hit_o`，顶层据此在 RAM 与 MMIO 之间选择读数据。
内部包含 LED/数码管寄存器、鼠标寄存器组（含 16 深事件 FIFO 与 `mouse_irq_o`）、
显示控制器、显存窗口，以及用于自检的 `MAGIC` 常量。
- **`cpu21_vga`**：工作在 CPU 时钟下，用 `tick`（每 2 拍一个使能）产生 25 MHz
像素节拍（**不引入第二个时钟域**）；按 640×480@60 的行场计数产生同步信号，
并按“格子”寻址显存：一个显存字对应 4 个像素，8×8 字模放大 2 倍填满 16×16
的格子（40×30 格），帧末产生 `frame_tick_o`。
- **`cpu21_seg7`**：8 位动态扫描。计数到 `REFRESH_DIV` 换一位（默认 50 MHz 下
50000 → 每步 1 ms，每位数码管 125 Hz 刷新）；十六进制→七段码用查表；共阳极
所以位选/段选都取反输出，`an_en_i` 可以把某几位熄灭。
- **`cpu21_pointer`**：把 5 向按键变成鼠标事件。用约 1 ms 的采样节拍对两级同步
后的按键采样，只在“按下”边沿产生事件；一次采样可能同时按下多个键，用待发
队列 + 优先级选择器逐个上报（每拍最多一个事件，不丢键）。事件单位是 1/8 格，
软件端只用整数加减就能换算成格（不需要除法）。
- **`cpu21_ps2_mouse`**：可选的真鼠标，只实现接收：`ps2_clk` 下降沿把 11 位帧
移位进来（起始位 + 8 数据 + 奇校验 + 停止位），校验后按 3 字节包解析出
dx/dy/按键，产生 `ev_valid_o` 脉冲。
### 板级
- **`cpu21_board_top`**：把这些接起来并裁到 23 个引脚。内含参数化分频器
（`CLK_DIV` / `CLK_DIV_INTRUPT`）、复位同步器（异步置位 + 同步释放）、片内
ROM（组合读、`nop` 填充、`ifdef` 链选程序）与 RAM（字节写使能 + 组合读、
只响应 4 KB 以内地址，避免和 MMIO 别名）、显存双口 RAM（CPU 写口 + VGA 读口
同处一个时钟域，用像素使能而不是第二时钟）、数码管、VGA、鼠标源选择
（`USE_PS2_MOUSE`）、中断连线（SW0/1/2 分别与鼠标事件/关卡软件中断相或）、
锁存式中断指示 LED（请求上升沿置位、对应级别的 ISR 执行 `uret` 后熄灭）和
`led_we` 写入指示。
## 上板（Nexys4DDR + Vivado）
处理器顶层 `cpu21_riscv_redirect_int_bpb` 有 775 位调试端口（各级 PC/IR、计数器、
@@ -180,20 +270,22 @@ BPB/中断观测值）。如果直接把它设为实现顶层，这些端口会
`[Place 30-415] IO Placement failed due to overutilization`（占用 775 个 IO，
而 `xc7a100tcsg324-1` 只有 210 个）。因此上板时用 `cpu21_board_top` 作为顶层，
只引出板上真正需要的那些引脚（LED、按键、拨码、VGA、8 位数码管、可选的 PS/2），
其余调试端口不连接。定义宏 `SAOLEI_ROM` 时还会把扫雷程序固化进 ROM。
其余调试端口不连接。定义宏 `SAOLEI_ROM` 时还会把扫雷程序固化进 ROM；当前
`create_project.tcl` 默认定义的是 `RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM`（跑课程的
中断综合测试程序），宏的含义、优先级和改法见下文“内置程序与宏的用法”。
### 引脚分配（`cpu21_board_top.xdc`）
| 端口 | 引脚 | 板上元件 | 说明 |
| ------------- | ----------- | ------------------------- | ---------------------------------------------- |
| `clk100` | E3 | 100 MHz 晶振 | 经`CLK_DIV` 分频后给 CPU |
| ------------- | ----------- | ------------------------- | ------------------------------------------------------------------- |
| `clk100` | E3 | 100 MHz 晶振 | 经 `CPU_DIV` 分频后给 CPU（默认 50 MHz） |
| `rst_n` | C12 | 按键 CPU_RESETN（低有效） | 异步置位、与 CPU 时钟同步释放 |
| `go` | N17 | 按键 BTNC | 对应原电路“继续运行”（`ecall` 停机后恢复执行） |
| `irq_sw[2:0]` | J15/L16/M13 | 拨码开关 SW0–SW2 | 三路中断源，拨动即触发（内部同步并锁存） |
| `led[15:0]` | H17…V11 | LED0–LED15 | MMIO（`LED_ADDR`）写入值的低 16 位 |
| `led_we` | R12 | LED16_B | MMIO 写入指示，每写一次拉长约 2.7 s |
| `led[15:0]` | H17…V11 | LED0–LED15 | `LED[2:0]` = 三路中断指示（锁存，ISR 返回后熄灭），`LED[15:3]` 熄灭 |
| `led_we` | R12 | LED16_B | MMIO 写入指示，每写一次拉长约 0.34 s @50 MHz |
### 时钟：为什么还保留 2 分频
### 时钟：分频比怎么选（`CLK_DIV` / `CLK_DIV_INTRUPT`）
乘除法原本是 ALU 里的组合运算（`a*b`、`a%b`），实测关键路径约 94 ns（325 级逻辑、
286 个 CARRY4），在 100 MHz 下必然不收敛，所以之前只能把时钟 16 分频到 6.25 MHz。
@@ -221,19 +313,135 @@ create_generated_clock -name cpu_clk -source [get_ports { clk100 }] \
-divide_by 2 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
```
改分频比时 RTL 的 `CLK_DIV` 与 XDC 的 `-divide_by` 要同时改。
改分频比时：**变慢**（分频比变大）不用动 XDC；**变快**（分频比小于 2）就要把 XDC 的
`-divide_by` 一起改小，否则约束会比实际时钟松、可能掩盖违例。
### 中断测试程序为什么还要再慢一档
标着 `RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM` 的课程中断综合测试程序里，两次显示之间的延时常量
是按 50 MHz 写的：50 MHz 下每个数值只停留约 10 ms，动态扫描的数码管上根本读不
出来。所以顶层在跑这个程序时改用**另一个分频比参数 `CLK_DIV_INTRUPT`**：停留时间
与分频比成正比：取 8 → 12.5 MHz（约 40 ms/值）、取 32 → 3.125 MHz（约 160 ms/值）——
当前默认 32，在 `cpu21_board_top.v` 里改。这个分频比只在定义了
`RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM` 时生效，其它程序仍用 `CLK_DIV`。
### 分频与刷新率一览（想改速度看这里）
| 想改什么 | 改哪里 | 当前值 / 换算 |
| -------------------------- | ----------------------------------------------- | -------------------------------------------------------- |
| CPU 主频（程序快慢） | 参数 `CLK_DIV` | 2 → 50 MHz（`100 MHz / CLK_DIV`） |
| 中断程序的 CPU 主频 | 参数 `CLK_DIV_INTRUPT`（只在该 ROM 宏下生效） | 32 → 3.125 MHz；每个数值约 10 ms × (`CLK_DIV_INTRUPT`/2) |
| 数码管扫描刷新率 | 顶层 `SEG_REFRESH_DIV`（自动跟随 `CPU_DIV`） | `100000 / CPU_DIV` → 每步 1 ms、每位 125 Hz |
| LED16_B 写入指示点亮时长 | `led_we_cnt` 的装载值 `24'hFF_FFFF` | 约 0.34 s @50 MHz（`0xFFFFFF / f_cpu`） |
| 中断程序每个数值的停留时间 | `tools/adapt_intrupt_ccab.py` 的 `DELAY_NEG_HI` | `0xFFFC0` → 约 10 ms @50 MHz |
- **数码管**：`SEG_REFRESH_DIV = 100000 / CPU_DIV` 保证“每步 1 ms、每位数码管
125 Hz”与主频无关（不这样缩放的话，主频降 4 倍时全屏刷新只剩 31 Hz，能看到
闪烁）。想更亮可以把它改小（扫描更快），但每位刷新率要远高于 50 Hz。
`cpu21_seg7` 的分频计数是 20 位，最大约 100 万，所以 100 MHz（不分频）也放得下。
- **慢下来的副作用**：`cpu21_pointer` 的按键采样节拍（`SAMPLE_DIV = 50000`）也会
跟着变慢（3.125 MHz 下约 16 ms 采样一次，仍在可接受范围）；`cpu21_vga` 的
25 MHz 像素节拍是从 CPU 时钟分频出来的，主频一降 VGA 行场时序就超出规范
（中断测试程序不用 VGA，无影响）。
- **XDC 不用跟着改（只要不是变快）**：`cpu_clk` 固定按最坏情况 `-divide_by 2`
（50 MHz）约束，实际时钟更慢属于“约束偏严”，不会掩盖违例；只有把分频比改到
比 2 更小（更快）时，才需要同步改小 XDC 的 `-divide_by`。
### 片内 ROM / RAM
- ROM：`ROM_WORDS = 1024` 字（4 KB），组合读，取指地址 `instr_addr[11:2]`；
内容由 `` `include "cpu21_board_rom.vh" `` 给出（与 `cpu21_board_top.v` 同目录，
文件里是 1024 条
`rom[i] = 32'h…;`，放在 `initial` 里，等价于 `$readmemh`，且不依赖文件路径）。
- ROM：`ROM_WORDS = 8192` 字（32 KB），组合读，取指地址 `instr_addr[ROM_AW+1:2]`；
内容由 `` `include `` 一个 ROM 初始化文件给出（与 `cpu21_board_top.v` 同目录，
文件里是 `rom[i] = 32'h…;` 语句，放在 `initial` 里，等价于 `$readmemh`，
且不依赖仿真工作目录）。具体包含哪份由宏决定（见下文“内置程序与宏的用法”）。
超出镜像长度的地址填 `nop`（`32'h0000_0013`），所以跳飞时不会执行到随机指令。
- RAM：`RAM_WORDS = 1024` 字（4 KB），字节写使能 + 组合读，只响应
`data_addr < 4 KB`，因此 MMIO 地址（默认 `0x1000`）不会落进 RAM。
- 两个 `initial` 块都用 NOP（`32'h0000_0013`）或 0 预填充，ROM 未使用区域是 NOP，
这样即使程序跑飞也不会执行到随机指令而乱写寄存器。
### 内置程序与宏的用法
板级顶层用一条 `` `ifdef `` 链决定 ROM 里固化哪个程序（连带决定中断入口地址），
`create_project.tcl` 里的两个开关就是给这条链用的：
| 宏（`sources_1` 的 Verilog Define） | ROM 文件 | 中断入口 `IRQ1/2/3` | 说明 |
| ----------------------------------- | ------------------------------------ | --------------------------- | ------------------------------------------ |
| `SAOLEI_ROM`（优先级最高） | `srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh` | `0x100` / `0x200` / `0x300` | 纯 C 扫雷（`saolei/tools/build.ps1` 生成） |
| `RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM` | `srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh` | `0x0AC` / `0x1E4` / `0x308` | 课程中断综合测试程序（当前默认） |
| `BOARD_ROM_FAST` | `srcs/board/cpu21_board_rom_fast.vh` | `0x100` / `0x200` / `0x300` | 仿真专用：跑马灯延时改小（综合不用） |
| 都不定义 | `srcs/board/cpu21_board_rom.vh` | `0x100` / `0x200` / `0x300` | 上板跑马灯 demo（默认） |
同一时间只应定义一个（`ifdef` 链按上表顺序取第一个命中的）。**中断入口必须和
ROM 里 ISR 的起点一致**，所以换程序时宏与入口是一起换的：`cpu21_board_top.v`
里 `.IRQ1/2/3_VECTOR` 也跟着 `RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM` 分支走。
#### 怎么定义宏
1. **Vivado GUI**：`Project` → `Settings` → `Synthesis` → `Verilog Options` →
`Verilog Macros` 里填 `RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM`（只对 `sources_1` 有效），
确定后 `Reset Synthesis Run` 再综合。也可以直接在 Tcl Console 里写：
```tcl
set_property verilog_define {RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM} [get_filesets sources_1]
reset_run synth_1
launch_runs synth_1
wait_on_run synth_1
```
换回跑马灯就是 `set_property verilog_define {} [get_filesets sources_1]`。
2. **一键重建**：改 `create_project.tcl` 里的 `use_intrupt_ccab` / `use_saolei`
两个开关（同一时间只开一个），重新 `source create_project.tcl`。
3. **命令行仿真**：`xvlog` 与 `xelab` 都要带同一个 `-d`，并用 `-i` 指向头文件目录：
```powershell
xvlog -d RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM -i srcs/board `
srcs/rtl/*.v srcs/board/cpu21_board_top.v 你的tb.v
xelab -top 你的tb -snapshot s -d RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM
```
4. **注意**：这些宏只影响“综合用”的 `sources_1`。跑 `tb_no_intr` /
`tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb` 时，程序来自测试平台自己探测的
`srcs/rom/*.hex`，与宏无关。
#### 中断综合测试程序的适配（`tools/adapt_intrupt_ccab.py`）
课程给的 `programs/risc-v-intrupt-ccab.hex` 不能直接上板，脚本把它适配成
`srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh`，且**不移动任何指令地址**（三个中断入口
仍是 `0x0AC` / `0x1E4` / `0x308`）：
```powershell
python tools/adapt_intrupt_ccab.py programs/risc-v-intrupt-ccab.hex `
srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh _tmp/fast.hex _tmp/plain.hex
```
六处适配（脚本内每步都有断言，输入不对会直接报错）：
1. 三个 ISR 里的 `addi a7,zero,10` + `ecall` → 两条 `nop`（`a7 != 34` 的
`ecall` 会让这颗 CPU 停机等 `go_i`）；
2. 11 个显示点 `lui a7,1` + `sw a0,0(a7)` → `jal` 调用追加的显示例程；
顺带纠正早期手改留下的 `sb` 误码（只写低字节会显示错值）；
3. 追加主程序用的 `DISP_DLY`（0x438）：写 LED 寄存器（数码管显示它）+ 约 10 ms
延时；返回地址存在 `sp+256`，位于 ISR 压栈区（最多 192 B）之上，所以中断
随时打断延时也不会破坏它；
4. 修正 ISR2/ISR3 出栈顺序写乱的 12 条 `lw`（否则 ISR2 的循环计数会变成
-3823，看起来像“二级中断返回之后卡住”）；
5. ISR3 的 SB 测试改用 ISR3 自己保存的 `s4/s5/s6`（原来用未保存的 `t1/t3/s2`，
抢占 ISR1 时会毁掉 ISR1 的 DIVU 循环计数，造成死循环）；
6. 追加 ISR 专用的 `DISP_DLY_ISR`（0x458）：**链接寄存器改用 `a0`、显示值走
`a7`**（这两个寄存器三个 ISR 都保存/恢复），于是 ISR 完全不碰 `ra`。否则
中断若恰好落在主程序 `DISP_DLY` 末尾的 `jalr` 上，返回会跳进 ISR 代码、
最后执行到 ISR 结尾的 `csrrci` 把 MIE 清零（“跑一阵子之后拨开关不再响应”）；
第 3 个参数生成“延时极小”的仿真版，便于在 xsim 里跑完整流程；第 4 个参数生成
只去掉停机 `ecall`、显示仍是 `lui`+`sw` 的“原样”版本，用于对比。
适配后的 ROM 在仿真里验证控制流很简单：用 `-d RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM` 编译
`srcs/rtl/*.v` + `srcs/board/cpu21_board_top.v` 加一个自建的 tb（或直接用
`srcs/tb/tb_board_top.v` 看 LED），观察 `irq_current_level_o`（0→1→2→3→…→0）、
`uepc_o`、`halted_o` 是否依次回到 0，以及 `LED[2:0]` 是否随嵌套逐层点亮/熄灭。
建议用第 3 个参数生成的快版 ROM（否则一次中断就是几十毫秒仿真时间）。
### 演示程序的生成与仿真
```powershell
@@ -278,8 +486,9 @@ Vivado 工程 `pipelined-cpu/pipelined-cpu.xpr` 被 `.gitignore` 排除，需要
1. `sources_1` 顶层设为 `cpu21_board_top`（纯 RTL 仿真时也可切回
`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`）；
2. 加入 `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v`、`pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc`，
`pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh` 的文件类型设成 `Verilog Header`（不能当普通源码，
否则会被当成顶层候选）；
四份 ROM 初始化文件（`cpu21_board_rom.vh`、`cpu21_board_rom_fast.vh`、
`risc-v-intrupt-ccab.vh`、`cpu21_saolei_rom.vh`）的文件类型都设成 `Verilog Header`
（不能当普通源码，否则会被当成顶层候选）；
3. 三个 testbench 放在**仿真 fileset**（`sim_1` 顶层 `tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb`、
`sim_2` 顶层 `tb_no_intr`），不参与综合，因此不会再出现“testbench 被当成顶层”
导致的 `[Place 30-494] The design is empty`。
@@ -297,8 +506,25 @@ Vivado 工程 `pipelined-cpu/pipelined-cpu.xpr` 被 `.gitignore` 排除，需要
CPU 时钟 6.25 MHz → 50 MHz（快 8 倍），并且乘除法不再位于关键路径上。
上板操作：用 Vivado 打开工程 → `Open Hardware Manager` → `Program Device`，选上述
`.bit`。复位后跑马灯立即从 `0001` 开始逐位左移（演示程序不执行 `ecall`，所以不用
按 `go`；`go` 只对执行了 `ecall` 停机、等待继续运行的程序有意义），LED16_B 每次写入时点亮。
`.bit`。复位后先跑 `sources_1` 里宏选中的那个程序。以跑马灯为例：复位后立即从
`0001` 开始逐位左移（演示程序不执行 `ecall`，所以不用按 `go`；`go` 只对执行了
`ecall` 停机、等待继续运行的程序有意义），LED16_B 每次写入时点亮。
#### 跑中断综合测试程序时的现象
（`create_project.tcl` 默认就是它，无需额外设置）
- 复位后主程序先跑自己的指令测试，数码管上显示程序写进 `LED_ADDR` 的 32 位十六进制值
（低 4 位在最右边那个数码管）；
- 拨动 **SW0 / SW1 / SW2**（J15/L16/M13）就对应 1/2/3 号中断：数码管随即切成该 ISR 的
显示内容（SB 读写测试、DIVU 测试、多层循环等），每个数值停留约 160 ms（3.125 MHz 下）；
- `LED[2:0]` 是**锁存**的中断指示：从该路中断请求出现开始亮，一直到它的 ISR 执行完
`uret` 返回才熄灭。抢占（例如 ISR1 还没跑完就拨 SW2）不会把外层的灯灭掉，一级
一级返回时才依次熄灭，正好能看出嵌套层次；
- LED16_B 每次 MMIO 写入内一下；程序里若有 `ecall a7 != 34` 的停机点，会停在原地等
按 **BTNC**（`go`）继续；
- 想重新开始随时按 **CPU_RESETN**（`rst_n`）；想让它更快/更慢就改 `CLK_DIV_INTRUPT`
（见上文“分频与刷新率一览”）。
## 扫雷程序（`saolei/`）
@@ -352,8 +578,8 @@ powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\run_regress.ps1
```text
pipelined-cpu/
├─ create_project.tcl 一键重建脚本（用 [info script] 定位自身目录）
├─ srcs/rtl/*.v 处理器 RTL（13 个文件）
├─ srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层、片内 ROM 初始化（含 __FAST 仿真版本）
├─ srcs/rtl/*.v 处理器与外设 RTL（17 个文件）
├─ srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层、四份 ROM 初始化（跑马灯/中断测试/扫雷/仿真快版）
├─ srcs/constrs/*.xdc 引脚约束 + 板级母版
├─ srcs/tb/*.v 三个测试平台
├─ srcs/rom/*.hex 测试平台加载的 ROM 镜像
pipelined-cpu/create_project.tcl
+25 -5
View File
@@ -71,9 +71,19 @@ add_files -norecurse -fileset sources_1 [list \
set_property file_type {Verilog Header} \
[get_files "$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_rom.vh"]
# 默认跑哪个内置程序：1 = 扫雷（定义宏 SAOLEI_ROM），0 = 走马灯 demo。
# 只有 cpu21_saolei_rom.vh 存在且 use_saolei = 1 时才会定义宏。
set use_saolei 1
# 默认跑哪个内置程序：中断测试程序优先，其次是扫雷，最后是走马灯 demo。
# 修改下面两个开关即可切换板上程序；同一时间只应启用一个。
set use_intrupt_ccab 1
set use_saolei 0
# 中断测试程序的 ROM 初始化。
set intrupt_ccab_rom "$origin_dir/srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh"
if {[file exists $intrupt_ccab_rom]} {
add_files -norecurse -fileset sources_1 [list $intrupt_ccab_rom]
set_property file_type {Verilog Header} [get_files $intrupt_ccab_rom]
} else {
puts "NOTE: 还没有 $intrupt_ccab_rom"
}
# 扫雷程序的 ROM 初始化（由 saolei/tools/build.ps1 生成，可能还不存在）。
# 综合/仿真时定义宏 SAOLEI_ROM 就会用它替换上面的跑马灯 ROM。
@@ -87,7 +97,10 @@ if {[file exists $saolei_rom]} {
# 关键：sources_1 定义 SAOLEI_ROM，cpu21_board_top.v 里的 `ifdef 链才会用扫雷 ROM
# （该宏只影响综合用的 sources_1，仿真 fileset 仍各自用 tb 自带的 ROM）
if {$use_saolei && [file exists $saolei_rom]} {
if {$use_intrupt_ccab && [file exists $intrupt_ccab_rom]} {
set_property verilog_define {RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM} [get_filesets sources_1]
puts "NOTE: sources_1 已定义 RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM —— 上板跑 risc-v-intrupt-ccab"
} elseif {$use_saolei && [file exists $saolei_rom]} {
set_property verilog_define {SAOLEI_ROM} [get_filesets sources_1]
puts "NOTE: sources_1 已定义 SAOLEI_ROM —— 上板跑扫雷；想跑走马灯把本脚本里 use_saolei 改成 0"
} else {
@@ -129,7 +142,14 @@ foreach fs {sim_1 sim_2} {
# ---------------------------------------------------------------- 结果汇总
puts "工程已创建：$origin_dir/$proj_name.xpr"
puts " sources_1 顶层 = cpu21_board_top（上板：时钟分频 + 片内 ROM/RAM + 引脚）"
puts " sources_1 程序 = [expr {$use_saolei && [file exists $saolei_rom] ? {扫雷 (SAOLEI_ROM)} : {走马灯 demo}}]"
if {$use_intrupt_ccab && [file exists $intrupt_ccab_rom]} {
set selected_program {risc-v-intrupt-ccab (RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM)}
} elseif {$use_saolei && [file exists $saolei_rom]} {
set selected_program {扫雷 (SAOLEI_ROM)}
} else {
set selected_program {走马灯 demo}
}
puts " sources_1 程序 = $selected_program"
puts " sim_1 顶层 = tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb（中断/分支预测）"
puts " sim_2 顶层 = tb_no_intr（指令集测试，ROM 镜像在 srcs/rom/）"
puts " 下一步：Run Synthesis → Run Implementation → Generate Bitstream，或 Run Simulation"
pipelined-cpu/programs/risc-v-intrupt-ccab.asm
+498
View File
@@ -0,0 +1,498 @@
# =============================================================================
# 注意：上板/仿真真正使用的镜像是 programs/risc-v-intrupt-ccab.hex（270 字），
# 本文件是课程原始清单。由 tools/adapt_intrupt_ccab.py 生成 ROM 时会做六处适配：
# 1) 三个 ISR 里的 "addi a7,zero,10 + ecall" 会让这颗 CPU 停机（a7 != 34 的
# ecall 是"停机等 go_i"的约定），中断服务程序跑到那里就卡住、后面的中断显示
# 循环永远不执行 -> ROM 里换成两条空操作；
# 2) 原来的 "addi a7,zero,34 + ecall" 显示改成写 MMIO 的 LED 寄存器（0x1000），
# 并且每个显示点都改为调用 DISP_DLY 加约 10 ms 延时 —— 否则 50 MHz 下刷新
# 太快，数码管的动态扫描根本分辨不出来，只会看到一片亮；
# 3) DISP_DLY 追加在程序末尾（0x438），因此所有指令地址、特别是三个中断入口
# 0x0AC / 0x1E4 / 0x308 都保持不变；
# 4) **hex 里 ISR2 / ISR3 的现场恢复（出栈）顺序被写乱了**（本清单是正确的，
# ISR1 的 hex 也是正确的）。ISR3 把 s1 从 s3 的槽位弹出，于是 s1 被写成
# s3 保存的 0xFFFFF111；ISR3 返回后，正在跑 BLT 测试的 ISR2 的循环计数 s1
# 就变成 -3823，循环要跑约 170 万周期才退出，表现就是"二级/三级中断返回
# 之后卡住"；ISR2 的 s0/s2/a0/a7/s1/t3/t1 也全部错位。适配脚本按本清单的
# 正确 LIFO 顺序改回 12 条 lw 的目标寄存器（字数不变、地址不动）。
# 5) **ISR3 的 SB 测试用了它自己没有保存的寄存器**（t1 当地址、t3 当计数、
# s2 当增量）。ISR3 的现场只保存了 s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6/uepc，所以：
# 若 IRQ3 直接抢占正在跑 DIVU 测试的 ISR1（ISR1 用 t3 递减计数），ISR1 的
# 计数会被改掉；ISR1 恢复后 `addi t3,t3,-1` 得到负数，`bne t3,zero` 永远
# 成立，DIVU 循环再也回不来 —— 表现就是“拨了 SW0 再拨 SW2 之后卡住”；
# 主程序的跑马灯步长 t1 也会被改掉。适配脚本把这 14 处寄存器域改成 ISR3
# 自己保存的 s4/s5/s6（SB 测试结束后紧接着的 IntLoop3 会重新给它们赋值，
# 所以这样换是安全的），字数与地址不变。
# 6) **ISR 不能破坏被打断代码的 ra**：三个 ISR 都保存 s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6，
# 但都没有保存 ra，而它们要调用显示例程，"jal ra,DISP_DLY" 会把 ra 写成 ISR
# 内部的返回地址。如果中断恰好落在被打断代码依赖 ra 的位置（典型就是主程序
# 正停在 DISP_DLY 末尾的 jalr zero,0(ra) 那一条上），中断返回后就会跳进 ISR
# 代码里，一路执行到 ISR 结尾的 csrrci zero,0x4,1，把 MIE 永久清零：表现
# 就是“跑一阵子之后拨开关再也不响应，只能复位”。窗口只有 1~2 拍，平时很
# 难遇到（仿真里把延时改到极小才会碰上）。适配脚本给 ISR 另加一份显示例程
# DISP_DLY_ISR（0x458），链接寄存器改用 a0、显示值走 a7（这两个寄存器三个
# ISR 都保存/恢复），于是 ISR 完全不碰 ra；ISR 的显示点由 "jal ra,DISP_DLY +
# nop" 换成 "add a7,a0,zero + jal a0,DISP_DLY_ISR"，仍是 2 字换 2 字，
# 字数与地址不变。
# =============================================================================
.text
addi sp, zero, 2000 #内存堆栈初始化
#############################################################
#走马灯测?,测试addi,andi,slli,srli,srai,or,ori,nor,ecall LED按走马灯方式来回显示数据
#############################################################
.text
START:
addi s0,zero,1
slli s3, s0, 31 # s3=0x80000000
srai s3, s3, 31 # s3=0xFFFFFFFF
add s0,zero,zero # s0=0
addi s2,zero,12
addi s6,zero,8 #走马灯计数
zmd_loop:
addi s0, s0, 1 #计算下一个走马灯的数
andi s0, s0, 15
#######################################
addi t0,zero,8
addi t1,zero,1
left:
slli s3, s3, 4 #走马灯左移
or s3, s3, s0
add a0,zero,s3 # display s3
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
sub t0,t0,t1
bne t0,zero,left
#######################################
addi s0, s0, 1 #计算下一个走马灯的数
addi t6,zero,15
and s0, s0, t6
slli s0, s0, 28
addi t0,zero,8
addi t1,zero,1
zmd_right:
srli s3, s3, 4 #走马灯右移
or s3, s3, s0
add a0,zero,s3 # display s3
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
sub t0,t0,t1
bne t0,zero,zmd_right
srli s0, s0, 28
#######################################
sub s6,s6,t1
beq s6,zero, exit
j zmd_loop
exit:
add t0,zero,zero
xori t0,t0,-1 #test nor ori
slli t0,t0,16
ori t0,t0,-1
add a0,zero,t0 # display t0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
j START # loop forever
#InteruptProgram1:
#############################################################################################
# exceptoin 1
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram1:
sw t0, 0(sp) #保护t0现场
addi sp, sp, 4
sw t3, 0(sp) #保护t3现场
addi sp, sp, 4
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# DIVU测试
addi t0,zero,2 # /2
addi s1,zero, 0x11
slli s1,s1,8
addi s1,s1,0x11
slli s1,s1,16
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi t3,zero,28 #ѭ������
divu_branch:
divu s1,s1,t0 #����ָ��
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi t3,t3, -1
bne t3,zero,divu_branch #ѭ��
nop # 原为 addi a7,zero,10 + ecall：这颗 CPU 会停机，改成空操作
################# 中断服务
addi s6,zero,1 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop1:
add s0,zero,s6
IntLeftShift1:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
bne s0, zero, IntLeftShift1
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop1
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
addi sp, sp, -4
lw t3, 0(sp) #恢复t3现场
addi sp, sp, -4
lw t0, 0(sp) #恢复t0现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
#InteruptProgram2:
#############################################################################################
# exceptoin 2
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram2:
sw t1, 0(sp) #保护t1现场
addi sp, sp, 4
sw t3, 0(sp) #保护t3现场
addi sp, sp, 4
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw s2, 0(sp) #保护s2现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# BLT测试
addi s1,zero,-15 #初始值
blt_branch:
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi s1,s1,1
blt s1,zero,blt_branch #当前指令
nop # 原为 addi a7,zero,10 + ecall：这颗 CPU 会停机，改成空操作
################# 中断服务
addi s6,zero,2 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop2:
add s0,zero,s6
IntLeftShift2:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
bne s0, zero, IntLeftShift2
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop2
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp) #恢复s0现场
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s2, 0(sp) #恢复s2现场
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
addi sp, sp, -4
lw t3, 0(sp) #恢复t3现场
addi sp, sp, -4
lw t1, 0(sp) #恢复t1现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
#InteruptProgram3:
#############################################################################################
# exceptoin 3
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram3:
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# SB测试
# 注：ROM 镜像里下面这段的 t1/t3/s2 已改成 ISR3 自己保存的 s4/s5/s6
# （t1 当地址 -> s4，t3 当计数 -> s5，s2 当增量 -> s6），避免抢占 ISR1
# 时破坏 ISR1 的 DIVU 循环计数，详见文件头部第 5 项。
addi t1,zero,0 #init_addr
addi t3,zero,32 #counter
#sb写入 01,02,03,04
addi s1,zero, 0x00 #
addi s2,zero, 0x01 #
sb_store:
sb s1,(t1)
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
add s1,s1,s2 #data +1
addi t1,t1,1 # addr ++
addi t3,t3,-1 #counter
bne t3,zero,sb_store
addi t3,zero,8
addi t1,zero,0 # addr
sb_branch:
lw s1,(t1) #读出数据
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi t1,t1,4
addi t3,t3, -1
bne t3,zero,sb_branch
nop # 原为 addi a7,zero,10 + ecall：这颗 CPU 会停机，改成空操作
################# 中断服务
addi s6,zero,3 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop3:
add s0,zero,s6
IntLeftShift3:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
bne s0, zero, IntLeftShift3
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop3
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
# -----------------------------------------------------------------------------
# DISP_DLY —— 显示 + 延时（对应 ROM 末尾 0x438 起的 8 条指令；11 个显示点都用
# "jal ra, DISP_DLY" 调用它）
#
# sw ra, 256(sp) # 保存返回地址（故意存在 sp+256，见下面的说明）
# lui a7, 1 # a7 = 0x1000 = LED_ADDR
# sw a0, 0(a7) # 把 a0 写进 LED 寄存器（数码管显示它的 8 位十六进制）
# lui t2, 0xFFFC0 # 计数初值为负（-262144），向上数到 0 ≈ 10 ms @50 MHz
# 1:addi t2, t2, 1
# blt t2, zero, 1b
# lw ra, 256(sp)
# jalr zero, ra, 0
#
# 为什么返回地址存在 sp+256，而不是按常规压在 sp-8 的栈帧里：
# 本程序的 ISR 用的是"先把 sp 加上去、再往里存"的向上增长栈，一层最多 48 字节，
# 最多嵌套 4 层（IRQ_STACK_DEPTH=4）共 192 字节 —— 也就是说 [sp, sp+192) 是中断
# 随时可能写到的区域。而显示调用既可能被中断打断，也可能从 ISR 内部发出，所以：
# * 若压在 sp-8（常规做法），从 ISR 里调用时会正好盖掉 ISR 存好的 s6 / uepc；
# uepc 一坏，uret 就返回到 ISR 内部地址，最后执行到 ISR 尾部的 csrrci 把 MIE
# 永久清零，之后再也不响应中断（实测就是这个现象）；
# * 放在 sp+256 越过了中断可能压栈的 192 字节区域，嵌套中断打断延时也不会破坏
# 它；每次调用各用自己的 sp+256，嵌套调用互不影响。
#
# 延时计数用"负数向上数到 0"而不是"递减到 0"：万一 t2 被嵌套调用改掉，循环只会
# 在 t2 >= 0 时立即退出，不会像递减写法那样回绕成 40 亿次而死等。
# -----------------------------------------------------------------------------
DISP_DLY:
sw ra, 256(sp)
lui a7, 1
sw a0, 0(a7)
lui t2, 0xFFFC0
DISP_DLY_WAIT:
addi t2, t2, 1
blt t2, zero, DISP_DLY_WAIT
lw ra, 256(sp)
jalr zero, ra, 0
pipelined-cpu/programs/risc-v多级中断测试(EPC内存堆栈保护) - ccab.hex → pipelined-cpu/programs/risc-v-intrupt-ccab.hex
+22 -22
View File
@@ -12,8 +12,8 @@
00499993
0089e9b3
01300533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
406282b3
fe0294e3
00140413
@@ -25,8 +25,8 @@ fe0294e3
0049d993
0089e9b3
01300533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
406282b3
fe0294e3
01c45413
@@ -38,8 +38,8 @@ fff2c293
01029293
fff2e293
00500533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
f5dff06f
00512023
00410113
@@ -71,13 +71,13 @@ f5dff06f
01148493
01049493
00900533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
01c00e13
0254d4b3
00900533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
fffe0e13
fe0e16e3
00a00893
@@ -89,8 +89,8 @@ fe0e16e3
00441413
014469b3
01300533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
fe0416e3
415a0a33
fe0a10e3
@@ -147,8 +147,8 @@ ffc10113
0040e073
ff100493
00900533
02200893
00000073
000018B7
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00148493
fe04c8e3
00a00893
@@ -160,8 +160,8 @@ fe04c8e3
00441413
014469b3
01300533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
fe0416e3
415a0a33
fe0a10e3
@@ -218,8 +218,8 @@ ffc10113
00100913
00930023
00900533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
012484b3
00130313
fffe0e13
@@ -228,8 +228,8 @@ fe0e12e3
00000313
00032483
00900533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
00430313
fffe0e13
fe0e14e3
@@ -242,8 +242,8 @@ fe0e14e3
00441413
014469b3
01300533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
fe0416e3
415a0a33
fe0a10e3
pipelined-cpu/programs/risc-v多级中断测试(EPC内存堆栈保护) - ccab.asm
-421
View File
@@ -1,421 +0,0 @@
.text
addi sp, zero, 2000 #内存堆栈初始化
#############################################################
#走马灯测?,测试addi,andi,slli,srli,srai,or,ori,nor,ecall LED按走马灯方式来回显示数据
#############################################################
.text
START:
addi s0,zero,1
slli s3, s0, 31 # s3=0x80000000
srai s3, s3, 31 # s3=0xFFFFFFFF
add s0,zero,zero # s0=0
addi s2,zero,12
addi s6,zero,8 #走马灯计数
zmd_loop:
addi s0, s0, 1 #计算下一个走马灯的数
andi s0, s0, 15
#######################################
addi t0,zero,8
addi t1,zero,1
left:
slli s3, s3, 4 #走马灯左移
or s3, s3, s0
add a0,zero,s3 # display s3
addi a7,zero,34 # system call for LED display
ecall # display
sub t0,t0,t1
bne t0,zero,left
#######################################
addi s0, s0, 1 #计算下一个走马灯的数
addi t6,zero,15
and s0, s0, t6
slli s0, s0, 28
addi t0,zero,8
addi t1,zero,1
zmd_right:
srli s3, s3, 4 #走马灯右移
or s3, s3, s0
add a0,zero,s3 # display s3
addi a7,zero,34 # system call for LED display
ecall # display
sub t0,t0,t1
bne t0,zero,zmd_right
srli s0, s0, 28
#######################################
sub s6,s6,t1
beq s6,zero, exit
j zmd_loop
exit:
add t0,zero,zero
xori t0,t0,-1 #test nor ori
slli t0,t0,16
ori t0,t0,-1
add a0,zero,t0 # display t0
addi a7,zero,34 # system call for LED display
ecall # display
j START # loop forever
#InteruptProgram1:
#############################################################################################
# exceptoin 1
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram1:
sw t0, 0(sp) #保护t0现场
addi sp, sp, 4
sw t3, 0(sp) #保护t3现场
addi sp, sp, 4
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# DIVU测试
addi t0,zero,2 # /2
addi s1,zero, 0x11
slli s1,s1,8
addi s1,s1,0x11
slli s1,s1,16
add a0,zero,s1
addi a7,zero,34
ecall
addi t3,zero,28 #ѭ������
divu_branch:
divu s1,s1,t0 #����ָ��
add a0,zero,s1
addi a7,zero,34
ecall #�����ǰֵ
addi t3,t3, -1
bne t3,zero,divu_branch #ѭ��
addi a7,zero,10
################# 中断服务
addi s6,zero,1 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop1:
add s0,zero,s6
IntLeftShift1:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
addi a7,zero,34 # display hex
ecall
bne s0, zero, IntLeftShift1
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop1
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
addi sp, sp, -4
lw t3, 0(sp) #恢复t3现场
addi sp, sp, -4
lw t0, 0(sp) #恢复t0现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
#InteruptProgram2:
#############################################################################################
# exceptoin 2
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram2:
sw t1, 0(sp) #保护t1现场
addi sp, sp, 4
sw t3, 0(sp) #保护t3现场
addi sp, sp, 4
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw s2, 0(sp) #保护s2现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# BLT测试
addi s1,zero,-15 #初始值
blt_branch:
add a0,zero,s1
addi a7,zero,34
ecall #输出当前值
addi s1,s1,1
blt s1,zero,blt_branch #当前指令
addi a7,zero,10
################# 中断服务
addi s6,zero,2 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop2:
add s0,zero,s6
IntLeftShift2:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
addi a7,zero,34 # display hex
ecall
bne s0, zero, IntLeftShift2
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop2
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp) #恢复s0现场
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s2, 0(sp) #恢复s2现场
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
addi sp, sp, -4
lw t3, 0(sp) #恢复t3现场
addi sp, sp, -4
lw t1, 0(sp) #恢复t1现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
#InteruptProgram3:
#############################################################################################
# exceptoin 3
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram3:
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# SB测试
addi t1,zero,0 #init_addr
addi t3,zero,32 #counter
#sb写入 01,02,03,04
addi s1,zero, 0x00 #
addi s2,zero, 0x01 #
sb_store:
sb s1,(t1)
add a0,zero,s1
addi a7,zero,34 # system call for print
ecall # print
add s1,s1,s2 #data +1
addi t1,t1,1 # addr ++
addi t3,t3,-1 #counter
bne t3,zero,sb_store
addi t3,zero,8
addi t1,zero,0 # addr
sb_branch:
lw s1,(t1) #读出数据
add a0,zero,s1
addi a7,zero,34 # system call for print
ecall # print
addi t1,t1,4
addi t3,t3, -1
bne t3,zero,sb_branch
addi a7,zero,10 # system call for exit
################# 中断服务
addi s6,zero,3 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop3:
add s0,zero,s6
IntLeftShift3:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
addi a7,zero,34 # display hex
ecall
bne s0, zero, IntLeftShift3
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop3
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v
+126 -62
View File
@@ -9,12 +9,18 @@
// （[Place 30-415] IO Placement failed due to overutilization）。本模块只把
// 开发板真正需要的外设引出来，其余调试端口不连接，因此不占用引脚：
//
// clk100 (E3) -> CPU 时钟（100 MHz，经 CLK_DIV 分频后给 CPU）
// clk100 (E3) -> CPU 时钟（100 MHz，经 CPU_DIV 分频后给 CPU；默认 50 MHz，
// 跑中断综合测试程序时用更慢的 CLK_DIV_INTRUPT，
// 让数码管上每个数值停留更久，便于观察）
// rst_n (C12) -> 复位按键 CPU_RESETN，低有效，经复位同步器
// go (N17) -> 按键 BTNC：ecall 停机后按下继续运行
// irq_sw[2:0] -> 拨码开关 SW[2:0]：3 路中断源
// led[15:0] -> 板载 LED[15:0]：显示 MMIO（LED_ADDR）写入值的低 16 位
// led[15:0] -> 板载 LED[15:0]：LED[2:0] = 三路中断指示，从该路中断
// 请求出现开始点亮，一直到它的 ISR 执行 uret 返回后才熄灭；
// LED[15:3] 熄灭
// led_we (R12) -> LED16_B：有 MMIO 写入时亮，并拉长约 0.34 s 便于观察
// an/seg/dp -> 板载 8 位七段数码管：显示程序写入 LED_ADDR 的 32 位
// 十六进制数据（每 4 位对应一个数码管）
//
// 片内存储器：
// ROM：ROM_WORDS 字，组合读，内容由 `include "cpu21_board_rom.vh"` 给出
@@ -38,6 +44,14 @@ module cpu21_board_top #(
// CLK_DIV=2（ 50 MHz）：WNS ≈ +8 ns，余量充足。
// 因此默认取 2，既比原来的 16 分频快 8 倍，又能保证时序收敛。
parameter integer CLK_DIV = 2,
// 中断综合测试程序（RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM）专用的 CPU 分频比。
// 该程序每次显示之间的延时常量是按 50 MHz 调的：50 MHz 下每个数值只停留
// 约 10 ms，数码管上根本读不出来。停留时间与分频比成正比，例如：
// 8 → 12.5 MHz（每个数值约 40 ms）、16 → 6.25 MHz（约 80 ms）、
// 32 → 3.125 MHz（约 160 ms）、64 → 1.5625 MHz（约 320 ms）。
// 取大于 2 的值只是把实际时钟变慢，XDC 的 cpu_clk 仍按最坏情况 50 MHz 约束，
// 所以不会掩盖时序违例（约束偏严）。
parameter integer CLK_DIV_INTRUPT = 32,
// 鼠标事件源：0 = 板上 5 向按键（免外设，默认）；1 = PS/2 鼠标（Pmod JA）
parameter integer USE_PS2_MOUSE = 0
) (
@@ -69,16 +83,41 @@ module cpu21_board_top #(
localparam ROM_AW = $clog2(ROM_WORDS);
localparam RAM_AW = $clog2(RAM_WORDS);
// CPU 时钟实际用的分频比：中断综合测试程序用更慢的 CLK_DIV_INTRUPT，
// 其余程序用 CLK_DIV。两者必须都是偶数（保证 50% 占空比）。
`ifdef RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM
localparam integer CPU_DIV = CLK_DIV_INTRUPT;
`else
localparam integer CPU_DIV = CLK_DIV;
`endif
// 数码管扫描分频：目标是“每位数码管约 125 Hz 刷新”（即每步 1 ms），与 CPU
// 时钟频率无关。每步时间 = REFRESH_DIV / f_cpu，而 f_cpu = 100 MHz / CPU_DIV，
// 所以 REFRESH_DIV = 1 ms × f_cpu = 100000 / CPU_DIV：
// CPU_DIV = 2（ 50 MHz）-> 50000（每步 1 ms，每位数码管 125 Hz）
// CPU_DIV = 8（12.5 MHz）-> 12500（同上）
// 例：CPU_DIV = 32（3.125 MHz）-> 3125（每步仍是 1 ms）。
// 不这样缩放的话，CPU 降频时扫描会按同样比例变慢，肉眼能看到闪烁。
localparam integer SEG_REFRESH_DIV = 100000 / CPU_DIV;
wire arst = ~rst_n; // 异步复位（高有效）
// ---------------------------------------------------------------------------
// 时钟：100 MHz / CLK_DIV（默认 2 = 50 MHz）给 CPU。
// 时钟：100 MHz / CPU_DIV 给 CPU。默认 50 MHz（CLK_DIV=2）；跑中断综合测试
// 程序时用更慢的 CLK_DIV_INTRUPT（见该参数说明），让数码管上的数值停留更久。
//
// 乘除法已经是 cpu21_riscv_muldiv 里的多周期单元，关键路径上不再有组合的
// 32x32 乘法/除法；剩下的违例路径是 EX 级“分支判决/中断保存 → BPB 更新”，
// 与乘除法无关，实测 100 MHz 下 WNS = -1.1 ns，50 MHz 下余量约 +8 ns。
// 分频后的时钟由 Vivado 自动插 BUFG；XDC 里用 create_generated_clock 声明，
// 改分频比时两处要一起改。
// 分频后的时钟由 Vivado 自动插 BUFG；XDC 里用 create_generated_clock 声明。
// XDC 按最坏情况固定成 -divide_by 2（50 MHz），所以这里把实际时钟变慢属于
// “约束偏严”，不会掩盖时序违例。
//
// 中断综合测试程序会用更慢的 CPU_DIV（见 CLK_DIV_INTRUPT）：程序里的延时常量
// 按 50 MHz 调好，50 MHz 下每个数值只停留约 10 ms，读数根本看不清；
// 停留时间与分频比成正比，具体见 CLK_DIV_INTRUPT 的说明。
// 注意：VGA 的 25 MHz 像素节拍也是从这个 CPU 时钟分频出来的，CPU 降频时
// VGA 行场时序会跟着变慢（超出 VGA 规范）。中断测试程序不用 VGA，无影响。
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [15:0] clk_cnt;
reg clk_div;
@@ -87,12 +126,10 @@ module cpu21_board_top #(
if (arst) begin
clk_cnt <= 16'd0;
clk_div <= 1'b0;
end
else if (clk_cnt == (CLK_DIV / 2 - 1)) begin
end else if (clk_cnt == (CPU_DIV / 2 - 1)) begin
clk_cnt <= 16'd0;
clk_div <= ~clk_div;
end
else begin
end else begin
clk_cnt <= clk_cnt + 16'd1;
end
end
@@ -105,10 +142,8 @@ module cpu21_board_top #(
reg [2:0] rst_sync_q;
always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
if (arst)
rst_sync_q <= 3'b111;
else
rst_sync_q <= {rst_sync_q[1:0], 1'b0};
if (arst) rst_sync_q <= 3'b111;
else rst_sync_q <= {rst_sync_q[1:0], 1'b0};
end
wire reset = rst_sync_q[2];
@@ -119,11 +154,11 @@ module cpu21_board_top #(
wire [31:0] data_wdata;
wire [ 3:0] data_wstrb;
wire data_we;
wire [31:0] led_data;
wire [31:0] led_data; // LED_ADDR 写入值，同时作为七段数码管显示数据
wire led_valid;
// 扫雷扩展外设的连线（先声明，例化在下面）
wire [31:0] disp_ctrl, disp_cursor; // 显示控制器（CPU 内部 MMIO 驱动）
wire [31:0] seg_data; // 数码管：8 位十六进制
wire [31:0] seg_data; // 保留的独立数码管 MMIO 数据
wire seg_valid;
wire fb_we; // 显存写端口
wire [ 9:0] fb_waddr;
@@ -131,6 +166,7 @@ module cpu21_board_top #(
wire [ 3:0] fb_wstrb;
wire [ 9:0] fb_raddr; // 显存读端口（VGA）
wire mouse_irq, level_irq; // 鼠标事件中断 / 软件中断（关卡入口）
wire [1:0] irq_level; // 当前正在服务的中断级别（0 = 不在中断里，1/2/3 = 在 ISR 里）
wire frame_tick;
wire [15:0] sw_vec = {12'b0, sw_flag, irq_sw};
// 中断连线：SW0 与鼠标共用一个入口，SW1 与"关卡入口"共用一个入口。
@@ -143,12 +179,14 @@ module cpu21_board_top #(
integer i;
initial begin
for (i = 0; i < ROM_WORDS; i = i + 1)
rom[i] = 32'h0000_0013; // NOP 填充
for (i = 0; i < ROM_WORDS; i = i + 1) rom[i] = 32'h0000_0013; // NOP 填充
`ifdef SAOLEI_ROM
// 扫雷程序（由 saolei/tools/build.ps1 生成的 cpu21_saolei_rom.vh）。
// 综合/仿真时定义宏 SAOLEI_ROM 即可切换到这个程序；不定义就是下面的跑马灯。
`include "cpu21_saolei_rom.vh"
`elsif RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM
// 中断综合测试程序：三个中断入口由镜像中的实际标签位置决定。
`include "risc-v-intrupt-ccab.vh"
`elsif BOARD_ROM_FAST
// 仿真专用：把演示程序的延时改小的版本（综合流程不会用到）
`include "cpu21_board_rom_fast.vh"
@@ -165,8 +203,7 @@ reg [31:0] ram[0:RAM_WORDS-1];
integer j;
initial begin
for (j = 0; j < RAM_WORDS; j = j + 1)
ram[j] = 32'b0;
for (j = 0; j < RAM_WORDS; j = j + 1) ram[j] = 32'b0;
end
wire [ROM_AW+1:2] rom_index = instr_addr[ROM_AW+1:2];
@@ -178,14 +215,10 @@ wire [31:0] data_rdata = ram_sel ? ram[ram_index] : 32'b0;
always @(posedge clk_cpu) begin
if (ram_sel && data_we) begin
if (data_wstrb[0])
ram[ram_index][7:0] <= data_wdata[7:0];
if (data_wstrb[1])
ram[ram_index][15:8] <= data_wdata[15:8];
if (data_wstrb[2])
ram[ram_index][23:16] <= data_wdata[23:16];
if (data_wstrb[3])
ram[ram_index][31:24] <= data_wdata[31:24];
if (data_wstrb[0]) ram[ram_index][7:0] <= data_wdata[7:0];
if (data_wstrb[1]) ram[ram_index][15:8] <= data_wdata[15:8];
if (data_wstrb[2]) ram[ram_index][23:16] <= data_wdata[23:16];
if (data_wstrb[3]) ram[ram_index][31:24] <= data_wdata[31:24];
end
end
@@ -195,14 +228,18 @@ end
cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
.LED_ADDR (LED_ADDR),
.USTATUS_INIT(USTATUS_INIT),
// 三个中断入口：必须与 sw/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
// 中断入口必须与所选 ROM 镜像中的 ISR 起点一致。
`ifdef RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM
// risc-v-intrupt-ccab.hex：字 43/121/194
.IRQ1_VECTOR (32'h0000_00AC),
.IRQ2_VECTOR (32'h0000_01E4),
.IRQ3_VECTOR (32'h0000_0308)
`else
// 扫雷程序：linker.ld 中固定的 0x100/0x200/0x300
.IRQ1_VECTOR (32'h0000_0100),
.IRQ2_VECTOR (32'h0000_0200),
.IRQ3_VECTOR (32'h0000_0300)
`endif
) u_cpu (
.clk (clk_cpu),
.reset (reset),
@@ -237,23 +274,56 @@ cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
.sw_i (sw_vec),
.frame_tick_i (frame_tick),
.mouse_irq_o (mouse_irq),
.level_irq_o (level_irq)
.level_irq_o (level_irq),
// 中断服务级别，供板上的中断指示 LED 使用（见下面 LED 那一段）
.irq_current_level_o(irq_level)
);
// ---------------------------------------------------------------------------
// 板载 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位；写入指示拉长便于观察
// 板载 LED：三路中断指示；十六进制数据改由七段数码管显示。
//
// 第 k 路中断从"请求出现"开始点亮，一直亮到它的 ISR 执行完 uret（中断返回）
// 之后才熄灭：
// 置位：irq_vec[k] 的上升沿。中断控制器内部也是按上升沿响应中断的
// （cpu21_riscv_irq_ctrl 里的 irq_event），两者行为一致；开关一直
// 接通不会重复点亮，只有新的上升沿才会重新置位。
// 清零：服务级别 irq_level 从 k+1 **降下来**，说明第 k+1 级的中断已经返回。
// 注意必须判断“下降”：级别从 1 升到 2 是深层中断抢占，此时第 1 级
// 的中断还在服务中，LED 不能熄。中断可以嵌套，返回时按级别逐层降
// 下来，因此每一路都在自己的 ISR 结束时熄灭。
// ---------------------------------------------------------------------------
assign led = led_data[15:0];
reg [2:0] irq_req_q; // 中断请求打一拍，用于取上升沿
reg [1:0] irq_level_q; // 服务级别打一拍，用于检测"返回"
reg [2:0] irq_led_q; // 三路中断指示
wire isr_ret0 = (irq_level_q == 2'd1) && (irq_level < irq_level_q);
wire isr_ret1 = (irq_level_q == 2'd2) && (irq_level < irq_level_q);
wire isr_ret2 = (irq_level_q == 2'd3) && (irq_level < irq_level_q);
always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
if (arst) begin
irq_req_q <= 3'b000;
irq_level_q <= 2'd0;
irq_led_q <= 3'b000;
end else begin
irq_req_q <= irq_vec;
irq_level_q <= irq_level;
// 请求上升沿 -> 点亮；对应级别的 ISR 返回 -> 熄灭
irq_led_q[0] <= (irq_vec[0] & ~irq_req_q[0]) | (irq_led_q[0] & ~isr_ret0);
irq_led_q[1] <= (irq_vec[1] & ~irq_req_q[1]) | (irq_led_q[1] & ~isr_ret1);
irq_led_q[2] <= (irq_vec[2] & ~irq_req_q[2]) | (irq_led_q[2] & ~isr_ret2);
end
end
assign led = {{13{1'b0}}, irq_led_q};
reg [23:0] led_we_cnt;
always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
if (arst)
led_we_cnt <= 24'd0;
else if (led_valid)
led_we_cnt <= 24'hFF_FFFF; // 约 0.34 s @50 MHz
else if (led_we_cnt != 24'd0)
led_we_cnt <= led_we_cnt - 24'd1;
if (arst) led_we_cnt <= 24'd0;
else if (led_valid) led_we_cnt <= 24'hFF_FFFF; // 约 0.34 s @50 MHz
// （12.5 MHz 下约 1.36 s）
else if (led_we_cnt != 24'd0) led_we_cnt <= led_we_cnt - 24'd1;
end
assign led_we = (led_we_cnt != 24'd0);
@@ -273,20 +343,15 @@ reg [31:0] fb [0:FB_WORDS-1];
integer k;
initial begin
for (k = 0; k < FB_WORDS; k = k + 1)
fb[k] = 32'b0;
for (k = 0; k < FB_WORDS; k = k + 1) fb[k] = 32'b0;
end
always @(posedge clk_cpu) begin
if (fb_we) begin
if (fb_wstrb[0])
fb[fb_waddr][7:0] <= fb_wdata[7:0];
if (fb_wstrb[1])
fb[fb_waddr][15:8] <= fb_wdata[15:8];
if (fb_wstrb[2])
fb[fb_waddr][23:16] <= fb_wdata[23:16];
if (fb_wstrb[3])
fb[fb_waddr][31:24] <= fb_wdata[31:24];
if (fb_wstrb[0]) fb[fb_waddr][7:0] <= fb_wdata[7:0];
if (fb_wstrb[1]) fb[fb_waddr][15:8] <= fb_wdata[15:8];
if (fb_wstrb[2]) fb[fb_waddr][23:16] <= fb_wdata[23:16];
if (fb_wstrb[3]) fb[fb_waddr][31:24] <= fb_wdata[31:24];
end
end
@@ -295,10 +360,8 @@ wire [31:0] fb_rdata = fb[fb_raddr];
// ---- VGA 像素节拍：clk_cpu 二分频 => 25 MHz ----
reg px_q;
always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
if (arst)
px_q <= 1'b0;
else
px_q <= ~px_q;
if (arst) px_q <= 1'b0;
else px_q <= ~px_q;
end
wire px_tick = ~px_q;
@@ -318,11 +381,14 @@ cpu21_vga u_vga (
.frame_tick_o(frame_tick)
);
// ---- 七段数码管（显示项目程序写的 8 位十六进制数）----
cpu21_seg7 u_seg7 (
// ---- 七段数码管（显示程序写入 LED_ADDR 的 8 位十六进制数）----
// 扫描分频按 CPU 时钟频率缩放，保持每位数码管约 125 Hz 刷新（不闪烁）。
cpu21_seg7 #(
.REFRESH_DIV(SEG_REFRESH_DIV)
) u_seg7 (
.clk (clk_cpu),
.reset (reset),
.seg_data_i(seg_data),
.seg_data_i(led_data),
.an_en_i (8'hFF),
.an_o (an),
.seg_o (seg),
@@ -349,10 +415,8 @@ generate
.ev_dy_o (ev_dy),
.ev_btn_o (ev_btn),
.rx_count_o ()
)
;
end
else begin : g_btn
);
end else begin : g_btn
cpu21_pointer #(
.SAMPLE_DIV(50000)
) u_ptr (
pipelined-cpu/srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh
+1027
View File
File diff suppressed because it is too large Load Diff
pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc
+8 -2
View File
@@ -13,6 +13,11 @@ create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports { c
create_generated_clock -name cpu_clk -source [get_ports { clk100 }] \
-divide_by 2 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
## 这里固定按最坏情况 50 MHz（-divide_by 2）约束。跑中断综合测试程序时 RTL 里的
## CPU_DIV 会变成 8（12.5 MHz，见 cpu21_board_top.v 的 CLK_DIV_INTRUPT），实际
## 时钟比这里的约束更慢，因此仍然满足——约束偏严，不会掩盖时序违例。
## （真要改分频比时，两处都要改；把这里的 -divide_by 调大反而会放松约束。）
## 复位按键（CPU_RESETN，低有效）与"继续运行"按键（BTNC）
set_property -dict { PACKAGE_PIN C12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { rst_n }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN N17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { go }]
@@ -22,7 +27,8 @@ set_property -dict { PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw
set_property -dict { PACKAGE_PIN L16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[1] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN M13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[2] }]
## 16 位 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位
## 16 位 LED：LED[2:0] = 三路中断指示（请求出现即亮，ISR 执行 uret 返回后灭），
## LED[15:3] 熄灭
set_property -dict { PACKAGE_PIN H17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[0] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN K15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[1] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN J13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[2] }]
@@ -40,7 +46,7 @@ set_property -dict { PACKAGE_PIN V14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[13
set_property -dict { PACKAGE_PIN V12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[14] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[15] }]
## LED16_B：MMIO 写入指示（拉长约 0.34 s @50 MHz）
## LED16_B：MMIO 写入指示（约 0.34 s @50 MHz；中断程序的 12.5 MHz 下约 1.36 s）
set_property -dict { PACKAGE_PIN R12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led_we }]
## 上板调试时可把 MMIO 写入的 LED 寄存器也引到 LED16_R/G，
pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_seg7.v
+37 -59
View File
@@ -8,11 +8,13 @@
// an_en_i 每一位对应一个数码管的使能（1 = 显示，0 = 熄灭）。
// 输出：an_o[7:0] 位选（低有效）、seg_o[6:0] 段选 a..g（低有效）、dp_o 小数点。
//
// 扫描频率：CLK_DIV 分频后约 1 kHz 切换一位（8 位 => 每位数码管 125 Hz 刷新）。
// 扫描频率：REFRESH_DIV 分频后约 1 kHz 切换一位（8 位 => 每位数码管 125 Hz
// 刷新）。REFRESH_DIV 由顶层按 CPU 时钟频率给出（默认 50000 @50 MHz），
// 这样 CPU 降频时扫描刷新率不会跟着变慢。
// 板载数码管是共阳极：位选拉低选中，段选拉低点亮。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_seg7 #(
parameter integer REFRESH_DIV = 50000 // 50 MHz / 50000 = 1 kHz
parameter integer REFRESH_DIV = 50000 // 50 MHz / 50000 = 1 kHz 切换一位
) (
input wire clk,
input wire reset,
@@ -26,20 +28,21 @@ module cpu21_seg7 #(
// ---------------------------------------------------------------------------
// 刷新计数与当前位
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [15:0] div_q;
// 计数位宽要能装下 REFRESH_DIV-1：顶层按 CPU 频率等比给出该值
//（50 MHz 时 50000，12.5 MHz 时 12500；若不分频直接跑 100 MHz 则 100000），
// 因此这里用 20 位（最大约 100 万）留足余量。
reg [19:0] div_q;
reg [ 2:0] digit_q;
wire tick = (div_q == (REFRESH_DIV - 1));
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
div_q <= 16'd0;
div_q <= 20'd0;
digit_q <= 3'd0;
end
else if (tick) begin
div_q <= 16'd0;
end else if (tick) begin
div_q <= 20'd0;
digit_q <= digit_q + 3'd1;
end
else begin
end else begin
div_q <= div_q + 16'd1;
end
end
@@ -48,22 +51,14 @@ module cpu21_seg7 #(
reg [3:0] nib;
always @* begin
case (digit_q)
3'd0:
nib = seg_data_i[3:0];
3'd1:
nib = seg_data_i[7:4];
3'd2:
nib = seg_data_i[11:8];
3'd3:
nib = seg_data_i[15:12];
3'd4:
nib = seg_data_i[19:16];
3'd5:
nib = seg_data_i[23:20];
3'd6:
nib = seg_data_i[27:24];
default:
nib = seg_data_i[31:28];
3'd0: nib = seg_data_i[3:0];
3'd1: nib = seg_data_i[7:4];
3'd2: nib = seg_data_i[11:8];
3'd3: nib = seg_data_i[15:12];
3'd4: nib = seg_data_i[19:16];
3'd5: nib = seg_data_i[23:20];
3'd6: nib = seg_data_i[27:24];
default: nib = seg_data_i[31:28];
endcase
end
@@ -73,38 +68,22 @@ module cpu21_seg7 #(
reg [6:0] seg_on;
always @* begin
case (nib)
4'h0:
seg_on = 7'b0111111;
4'h1:
seg_on = 7'b0000110;
4'h2:
seg_on = 7'b1011011;
4'h3:
seg_on = 7'b1001111;
4'h4:
seg_on = 7'b1100110;
4'h5:
seg_on = 7'b1101101;
4'h6:
seg_on = 7'b1111101;
4'h7:
seg_on = 7'b0000111;
4'h8:
seg_on = 7'b1111111;
4'h9:
seg_on = 7'b1101111;
4'hA:
seg_on = 7'b1110111;
4'hB:
seg_on = 7'b1111100;
4'hC:
seg_on = 7'b0111001;
4'hD:
seg_on = 7'b1011110;
4'hE:
seg_on = 7'b1111001;
default:
seg_on = 7'b1110001; // F
4'h0: seg_on = 7'b0111111;
4'h1: seg_on = 7'b0000110;
4'h2: seg_on = 7'b1011011;
4'h3: seg_on = 7'b1001111;
4'h4: seg_on = 7'b1100110;
4'h5: seg_on = 7'b1101101;
4'h6: seg_on = 7'b1111101;
4'h7: seg_on = 7'b0000111;
4'h8: seg_on = 7'b1111111;
4'h9: seg_on = 7'b1101111;
4'hA: seg_on = 7'b1110111;
4'hB: seg_on = 7'b1111100;
4'hC: seg_on = 7'b0111001;
4'hD: seg_on = 7'b1011110;
4'hE: seg_on = 7'b1111001;
default: seg_on = 7'b1110001; // F
endcase
end
@@ -116,8 +95,7 @@ module cpu21_seg7 #(
an_o <= 8'hFF;
seg_o <= 7'h7F;
dp_o <= 1'b1;
end
else if (tick) begin
end else if (tick) begin
an_o <= ~(8'b0000_0001 << digit_q) | ~an_en_i;
seg_o <= ~seg_on;
dp_o <= 1'b1; // 不用小数点
pipelined-cpu/tools/adapt_intrupt_ccab.py
+414
View File
@@ -0,0 +1,414 @@
#!/usr/bin/env python3
"""把中断测试程序适配到这块 CPU 上板运行（只改 ROM 内容，不改 CPU 语义）。
背景
----
programs/risc-v-intrupt-ccab.hex 是课程的中断/异常测试程序（270 字）。
直接放进板上 ROM 会有两个问题：
1) ISR 里的 ecall 会停机
三个中断服务程序里各有一条 "addi a7,zero,10" + "ecall"。这颗 CPU 的约定是
a7==34 的 ecall 是历史"显示"调用（无操作），其余 a7 值一律让流水线停机并等待
go_i。于是 ISR 跑到这里就卡住：后面的中断服务显示循环永远不执行，主程序的
跑马灯也停在原地。
-> 把 "addi a7,zero,10" + "ecall" 换成两条 NOP。
2) 显示刷新太快，数码管上看不出跑马灯
原来的显示是 "lui a7,1" + "sw a0,0(a7)"（写 MMIO 的 LED 寄存器）。主循环里
两次显示只隔几拍（50 MHz 下约 0.1 us），而数码管是按位动态扫描的，根本来不及
分辨，只会看到一片亮。
-> 把每条显示换成 "jal ra,DISP_DLY" + "nop"，由追加在 ROM 末尾的 DISP_DLY
完成"写 LED 寄存器 + 约 10 ms 延时"。
（注意：早先把旧的 "addi a7,zero,34 + ecall" 换成 MMIO 存储时，rs1 域算错，
把 sw 写成了 sb —— 只更新 LED 寄存器的低字节，高位一直是旧值，显示自然是
错的。DISP_DLY 内部统一用正确的 sw 写整个字，这个脚本会顺带纠正。）
3) **修正 ISR2 / ISR3 的现场恢复顺序**
原始 hex 是手工改过的，两个 ISR 的出栈顺序被写乱（ISR1 是对的）：
* ISR3：把 s1 从 s3 的槽位弹出，于是 s1 被写成 s3 保存的值 0xFFFFF111；
ISR3 返回后，正在跑 BLT 测试的 ISR2 的循环计数 s1 就变成了 -3823，
循环要跑 3800 多次（约 170 万周期）才退出 —— 看起来就是“二级中断返回
之后卡住”；
* ISR2：s0/s2/a0/a7/s1/t3/t1 全部错位，返回后调用者的这些寄存器被破坏。
-> 按 asm 清单里正确的 LIFO 顺序，只改 12 条 `lw` 的目标寄存器（字数不变、
地址不动），ISR3 改 5 条、ISR2 改 7 条。
5) **修正 ISR3 的 SB 测试用到的未保存寄存器**
ISR3 的现场只保存了 s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6/uepc，但它的 SB 测试却用
t1（地址）、t3（计数）、s2（增量）—— 这三个都没保存。后果：
* 若 IRQ3 抢占正在跑 DIVU 测试的 ISR1（ISR1 用 t3 做递减计数），ISR1 的
计数会被 ISR3 改成 0；ISR1 恢复后 `addi t3,t3,-1` 得到 -1，`bne t3,zero`
永远成立 —— ISR1 的 DIVU 循环再也出不来，表现为“三级中断之后卡住”；
* 主程序的跑马灯步长 t1 也会被改掉。
-> 改用 ISR3 自己保存的 s4/s5/s6：SB 测试结束后紧接着的 IntLoop3
（0x3B4 起）会重新给它们赋值，所以这样换是安全的；同样只改寄存器域，
字数与地址不变。
6) **ISR 不能破坏被打断代码的 ra**
三个 ISR 的现场里都保存了 s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6（外加各自的测试寄存器），
但**都没有保存 ra**，而它们要调用显示例程，`jal ra,DISP_DLY` 会把 ra 写成
ISR 内部的返回地址。后果：如果中断恰好落在被打断代码依赖 ra 的位置
—— 典型就是主程序正停在 DISP_DLY 末尾的 `jalr zero,0(ra)`（第 0x454 字）
—— 中断返回后 `jalr` 会跳到 ra 里的地址，也就是 ISR 内部的某条指令上，
于是一路执行到 ISR 结尾的 `csrrci zero,0x4,1`，把 MIE 永久清零：
“跑一阵子之后拨开关再也不响应，只能按复位”。窗口只有 1~2 拍，所以平时
很难遇到（仿真里把延时改到极小才会碰上）。
-> 给 ISR 另加一份显示例程 DISP_DLY_ISR（0x458），链接寄存器改用 **a0**，
显示值改走 **a7**：这两个寄存器三个 ISR 都保存/恢复，所以
* ISR 完全不碰 ra，被打断的代码停在 DISP_DLY 哪里都安全；
* ISR 自己被内层中断打断时，内层 ISR 返回也会把 a0/a7 恢复成被打断时
的值，所以 DISP_DLY_ISR 自己的 `jalr zero,0(a0)` 同样安全。
主程序的 3 个显示点仍用原来的 DISP_DLY（链接在 ra，行为不变）。
每个 ISR 显示点：`jal ra,DISP_DLY` + `nop` 换成
`add a7,a0,zero` + `jal a0,DISP_DLY_ISR` —— 仍是 2 字换 2 字。
以上替换都是 **2 字换 2 字**，两个例程又追加在最后一条指令（uret）之后，所以
**所有指令地址都保持不变**，三个中断入口仍然是 0x0AC / 0x1E4 / 0x308。
DISP_DLY（8 字，追加在程序末尾）
--------------------------------
sw ra, 256(sp) # 保存返回地址
lui a7, 1 # a7 = 0x1000 = LED_ADDR
sw a0, 0(a7) # 把 a0 写进 LED 寄存器（数码管显示它的 8 位十六进制）
lui t2, DELAY # 计数初值为负，向上数到 0（约 10 ms @50 MHz）
1: addi t2, t2, 1
blt t2, zero, 1b
lw ra, 256(sp)
jalr zero, ra, 0
为什么返回地址存在 sp+256 而不是程序栈里：
本程序的 ISR 是“先把 sp 加上去，再往里存”的向上增长栈，一层最多占 48 字节，
最多嵌套 4 层（IRQ_STACK_DEPTH=4）共 192 字节，所以 [sp, sp+192) 是中断随时
可能写到的区域。把返回地址放在 sp+256（越过了这个区域）：
* 从 ISR 里调用时，不会覆盖 ISR 存好的 s6 / uepc（早期用 sp-8 就是这么坏掉的：
uepc 被写坏后 uret 会返回到 ISR 内部地址，最后执行到 csrrci 把 MIE 永久清零）；
* 中断（包括多层嵌套）随时打断延时也不会破坏它，因为嵌套 ISR 只会在
[sp, sp+192) 里压栈；
* 每次调用各用自己 sp+256 的位置，所以嵌套调用也互不影响。
延时计数不用“递减到 0”而用“负数向上数到 0”：万一被嵌套调用改掉了 t2，循环也
只会在 t2 >= 0 时立即退出，不会像递减写法那样绕成 40 亿次而死等。
用法
----
python tools/adapt_intrupt_ccab.py <输入.hex> <输出.vh> [输出_fast.hex]
<输入.hex> programs/risc-v-intrupt-ccab.hex（未适配的原始镜像）
<输出.vh> srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh（上板综合用）
[输出_fast.hex] 可选：延时改成约 0.6 us 的仿真专用版本。上板一次中断服务要跑
几十毫秒（几十万个时钟），仿真跑完整流程会很慢，因此仿真用这个
快版来验证控制流（入口 / 中断返回 / 不停机），延时量本身不影响
控制流。
"""
import sys
NOP = 0x00000013
LED_ADDR_HI = 1 # lui a7, 1 -> a7 = 0x1000（LED_ADDR）
# 延时计数：计数初值为负，向上数到 0。0xFFFC0000 -> 0x40000 = 262144 次
# （每轮约 2 个时钟）= 52.4 万个时钟 ≈ 10 ms @50 MHz。
DELAY_NEG_HI = 0xFFFC0
DELAY_FAST_NEG = -16 # 仿真用：addi t2, zero, -16 ≈ 0.6 us
# DISP_DLY 保存返回地址的偏移：必须大于 ISR 最大嵌套栈用量（4 层 x 48B = 192B）
LINK_SLOT = 256
# 寄存器号
ZERO, RA, SP, GP, T2, A0, A7 = 0, 1, 2, 3, 7, 10, 17
def enc_i(imm, rs1, f3, rd, op=0x13):
return ((imm & 0xFFF) << 20) | (rs1 << 15) | (f3 << 12) | (rd << 7) | op
def enc_s(imm, rs2, rs1, f3):
imm &= 0xFFF
return (((imm >> 5) << 25) | (rs2 << 20) | (rs1 << 15) | (f3 << 12)
| ((imm & 0x1F) << 7) | 0x23)
def enc_b(imm, rs2, rs1, f3):
imm &= 0x1FFF
return ((((imm >> 12) & 1) << 31) | (((imm >> 5) & 0x3F) << 25)
| (rs2 << 20) | (rs1 << 15) | (f3 << 12)
| (((imm >> 1) & 0xF) << 8) | (((imm >> 11) & 1) << 7) | 0x63)
def enc_u(imm, rd):
return ((imm & 0xFFFFF) << 12) | (rd << 7) | 0x37
def enc_j(imm, rd):
imm &= 0x1FFFFF
return ((((imm >> 20) & 1) << 31) | (((imm >> 1) & 0x3FF) << 21)
| (((imm >> 11) & 1) << 20) | (((imm >> 12) & 0xFF) << 12)
| (rd << 7) | 0x6F)
HALT_LOAD = enc_i(10, ZERO, 0, A7) # addi a7, zero, 10
ECALL = 0x00000073
DISP_LUI = enc_u(LED_ADDR_HI, A7) # lui a7, 1
DISP_SW = enc_s(0, A0, A7, 2) # sw a0, 0(a7) <- 正确：字写
DISP_SB_BAD = enc_s(0, A0, A7, 0) # sb a0, 0(a7) <- 误写成字节写，一并修正
# 说明：这两种都当成"显示点"。DISP_DLY 内部一律用正确的 sw 写整个字，因此即使
# 输入镜像里是 sb（只写低字节，显示的高位会残留旧值），适配后也会恢复正常。
def disp_dly(delay_word):
"""DISP_DLY 的 8 条指令（delay_word 决定延时长短）。
返回地址存在 sp+LINK_SLOT，位于 ISR 可能压栈的区域之上，所以中断（含嵌套）
打断延时也不会破坏它 —— 见文件头的说明。
"""
return [
enc_s(LINK_SLOT, RA, SP, 2), # sw ra, 256(sp)
DISP_LUI, # lui a7, 1
DISP_SW, # sw a0, 0(a7)
delay_word, # lui t2, 0xFFFC0 / addi t2, zero, -16
enc_i(1, T2, 0, T2), # addi t2, t2, 1
enc_b(-4, ZERO, T2, 4), # blt t2, zero, -4
enc_i(LINK_SLOT, SP, 2, RA, 0x03), # lw ra, 256(sp)
enc_i(0, RA, 0, ZERO, 0x67), # jalr zero, ra, 0
]
def disp_dly_isr(delay_word):
"""ISR 专用的显示/延时例程（8 条）—— 链接寄存器用 a0，不用 ra。
三个 ISR 的现场都保存了 a7 与 a0（s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6），所以把链接放
a0、把显示值放 a7 不会额外破坏任何东西；而 ra 完全不被触碰，被打断的代码
即使停在主 DISP_DLY 的 `jalr zero,0(ra)` 上也不会被破坏。
"""
return [
enc_s(LINK_SLOT, A0, SP, 2), # sw a0, 256(sp) 保存链接寄存器
enc_u(LED_ADDR_HI, A0), # lui a0, 1 a0 = 0x1000
enc_s(0, A7, A0, 2), # sw a7, 0(a0) 显示 a7
delay_word, # lui t2, 0xFFFC0 / addi t2,zero,-16
enc_i(1, T2, 0, T2), # addi t2, t2, 1
enc_b(-4, ZERO, T2, 4), # blt t2, zero, -4
enc_i(LINK_SLOT, SP, 2, A0, 0x03), # lw a0, 256(sp)
enc_i(0, A0, 0, ZERO, 0x67), # jalr zero, a0, 0
]
# 三个中断入口的原指令（核对地址没有跑偏）
ISR_ENTRY = {43: 0x00512023, 121: 0x00612023, 194: 0x00912023}
# 三个 ISR 的代码从 ISR1 入口开始一直排到程序末尾（主程序在它之前）
ISR1_WORD = min(ISR_ENTRY)
# 需要修正目标寄存器的 `lw X,0(sp)`：addr -> (当前错误的 rd, 正确的 rd)
# ISR3（入口 0x308）恢复顺序应为：uepc,s6,s5,s4,s3,s0,a0,a7,s1
# ISR2（入口 0x1E4）恢复顺序应为：uepc,s6,s5,s4,s3,s0,a0,a7,s2,s1,t3,t1
FIX_POPS = {
0x410: (9, 19), 0x418: (19, 8), 0x420: (8, 10),
0x428: (10, 17), 0x430: (17, 9), # ISR3
0x2D0: (18, 8), 0x2D8: (9, 10), 0x2E0: (28, 17),
0x2E8: (6, 18), 0x2F0: (8, 9), 0x2F8: (10, 28),
0x300: (17, 6), # ISR2
}
# ISR3 的 SB 测试用了未保存的 t1/t3/s2 -> 改成 ISR3 自己保存的 s4/s5/s6
# addr -> (要改的域, 原寄存器号, 新寄存器号)
T1, T3, S2, S4, S5, S6 = 6, 28, 18, 20, 21, 22
FIX_ISR3_SB = {
0x358: ('rd', T1, S4), 0x35C: ('rd', T3, S5),
0x364: ('rd', S2, S6), 0x368: ('rs1', T1, S4),
0x378: ('rs2', S2, S6), 0x37C: ('rd_rs1', T1, S4),
0x380: ('rd_rs1', T3, S5), 0x384: ('rs1', T3, S5),
0x388: ('rd', T3, S5), 0x38C: ('rd', T1, S4),
0x390: ('rs1', T1, S4), 0x3A0: ('rd_rs1', T1, S4),
0x3A4: ('rd_rs1', T3, S5), 0x3A8: ('rs1', T3, S5),
}
def read_hex(path):
words = []
with open(path, encoding="ascii") as f:
for line in f:
line = line.split("//")[0].strip()
if line:
words.append(int(line, 16))
return words
def patch(words):
"""返回 (适配后的字表, 适配后的快版字表, 统计信息)。"""
halt_sites = [i for i in range(len(words) - 1)
if words[i] == HALT_LOAD and words[i + 1] == ECALL]
if len(halt_sites) != 3:
raise SystemExit("预期 3 处 'addi a7,zero,10 + ecall'（ISR 停机点），"
"实际找到 %d 处；输入文件不是预期的原始镜像？" % len(halt_sites))
disp_sites = [i for i in range(len(words) - 1)
if words[i] == DISP_LUI
and words[i + 1] in (DISP_SW, DISP_SB_BAD)]
if len(disp_sites) != 11:
raise SystemExit("预期 11 处 'lui a7,1 + sw/sb a0,0(a7)'（显示点），"
"实际找到 %d 处；输入文件不是预期的原始镜像？" % len(disp_sites))
bad_store = [i for i in disp_sites if words[i + 1] == DISP_SB_BAD]
for i in halt_sites:
words[i] = NOP
words[i + 1] = NOP
# plain 变体：只去掉停机 ecall，显示保持原来的 "lui + sw" 两字写法
# （必须在把显示点改成 jal 之前取副本，否则会生成“跳到没有函数体的地址”的镜像）
plain = list(words)
# DISP_DLY 紧跟在原程序的最后一条指令之后（原程序长度不变）
disp_pc = 4 * len(words)
isr_pc = disp_pc + 32 # ISR 专用的 DISP_DLY_ISR 再占 8 字
isr_sites = []
for i in disp_sites:
if i >= ISR1_WORD:
# 三个 ISR 里的显示点：改用 a0 做链接寄存器、显示值走 a7
# 注意 jal 落在显示点的后一条（i+1）上，偏移要相对它自己算
isr_sites.append(i)
words[i] = enc_i(0, A0, 0, A7) # add a7, a0, zero
words[i + 1] = enc_j(isr_pc - 4 * (i + 1), A0) # jal a0, DISP_DLY_ISR
else:
# 主程序里的显示点：照旧用 ra 链接
words[i] = enc_j(disp_pc - 4 * i, RA)
words[i + 1] = NOP
if not isr_sites:
raise SystemExit("没有找到 ISR 里的显示点；中断入口地址对不上？")
# 自检：把刚写进去的 jal 偏移反解出来，确认真的跳到两个例程的入口
def jal_target(w, pc):
imm = (((w >> 31) & 1) << 20) | (((w >> 21) & 0x3FF) << 1) \
| (((w >> 20) & 1) << 11) | (((w >> 12) & 0xFF) << 12)
if imm & 0x100000:
imm -= 0x200000
return pc + imm
for i in disp_sites:
if i >= ISR1_WORD:
want, at = isr_pc, 4 * (i + 1) # ISR：jal 在显示点后一条
else:
want, at = disp_pc, 4 * i # 主程序：jal 就在显示点上
got = jal_target(words[at // 4], at)
if got != want:
raise SystemExit("显示点 0x%03X 的跳转目标算错了：0x%03X != 0x%03X"
% (4 * i, got, want))
for idx, want in ISR_ENTRY.items():
if words[idx] != want:
raise SystemExit("中断入口 0x%03X 处的指令被改动了（%08X != %08X）"
% (4 * idx, words[idx], want))
# --- 4) 修正 ISR2 / ISR3 的现场恢复顺序（只改 lw 的 rd 域） ---
fixed_pops = 0
for pc, (bad_rd, rd) in FIX_POPS.items():
w = words[pc // 4]
op, f3 = w & 0x7F, (w >> 12) & 7
rs1, imm = (w >> 15) & 0x1F, (w >> 20) & 0xFFF
old_rd = (w >> 7) & 0x1F
if not (op == 0x03 and f3 == 2 and rs1 == SP and imm == 0):
raise SystemExit("0x%03X 不是预期的 `lw X,0(sp)`（%08X）" % (pc, w))
if old_rd == rd:
continue # 已经是对的（重复运行时跳过）
if old_rd != bad_rd:
raise SystemExit("0x%03X 的目标寄存器不是预期的 %d（实际 %d）"
% (pc, bad_rd, old_rd))
words[pc // 4] = (w & ~(0x1F << 7)) | (rd << 7)
fixed_pops += 1
# --- 5) 把 ISR3 SB 测试里的 t1/t3/s2 换成 s4/s5/s6 ---
def set_field(w, name, val):
if name == 'rd':
return (w & ~(0x1F << 7)) | (val << 7)
if name == 'rs1':
return (w & ~(0x1F << 15)) | (val << 15)
if name == 'rs2':
return (w & ~(0x1F << 20)) | (val << 20)
if name == 'rd_rs1':
return ((w & ~(0x1F << 7)) | (val << 7)) & ~(0x1F << 15) | (val << 15)
raise SystemExit('未知域 ' + name)
fixed_sb = 0
for pc, (field, old, new) in FIX_ISR3_SB.items():
w = words[pc // 4]
idx = {'rd': (w >> 7) & 0x1F, 'rs1': (w >> 15) & 0x1F,
'rs2': (w >> 20) & 0x1F}
if field == 'rd_rs1':
cur = idx['rd']
if idx['rs1'] != cur:
raise SystemExit('0x%03X 的 rd/rs1 不一致' % pc)
else:
cur = idx[field]
if cur == new:
continue # 已经改过了
if cur != old:
raise SystemExit('0x%03X 的 %s 不是预期的 %d（实际 %d）'
% (pc, field, old, cur))
words[pc // 4] = set_field(w, field, new)
fixed_sb += 1
slow = disp_dly(enc_u(DELAY_NEG_HI, T2)) + disp_dly_isr(enc_u(DELAY_NEG_HI, T2))
fast = disp_dly(enc_i(DELAY_FAST_NEG, ZERO, 0, T2)) \
+ disp_dly_isr(enc_i(DELAY_FAST_NEG, ZERO, 0, T2))
return (words + slow, words + fast, plain,
(halt_sites, disp_sites, disp_pc,
[i for i in disp_sites if i < ISR1_WORD], isr_sites,
bad_store, fixed_pops, fixed_sb))
def write_hex(path, words):
with open(path, "w", encoding="ascii", newline="\n") as f:
for w in words:
f.write("%08X\n" % w)
def write_vh(path, words, src_name, total, note):
with open(path, "w", encoding="utf-8", newline="\n") as f:
f.write(" // 由 tools/adapt_intrupt_ccab.py 生成 —— 不要手改\n")
f.write(" // source: %s（%d 字，其余地址填 NOP）\n"
% (src_name, len(words)))
f.write(" // %s\n" % note)
for addr in range(total):
w = words[addr] if addr < len(words) else NOP
f.write(" rom[%d] = 32'h%08X;\n" % (addr, w))
def main():
if len(sys.argv) < 3:
raise SystemExit(__doc__.strip().split("用法")[-1])
src, dst_vh = sys.argv[1], sys.argv[2]
dst_fast = sys.argv[3] if len(sys.argv) > 3 else None
dst_plain = sys.argv[4] if len(sys.argv) > 4 else None
words = read_hex(src)
slow, fast, plain, (halt_sites, disp_sites, disp_pc, main_sites, isr_sites,
bad_store, fixed_pops, fixed_sb) = patch(words)
total = 1024
write_vh(dst_vh, slow, src, total,
"已适配：去掉 ISR 停机 ecall、显示改为 MMIO+DISP_DLY（约 10 ms）")
if dst_fast:
write_hex(dst_fast, fast)
if dst_plain:
write_hex(dst_plain, plain)
print("适配完成：%s（原程序 %d 字 + DISP_DLY %d 字 = %d 字）"
% (dst_vh, len(words), len(slow) - len(words), len(slow)))
print(" 去掉的停机 ecall 位置：%s"
% ", ".join("0x%03X" % (4 * i) for i in halt_sites))
print(" 换成显示调用的点：主程序 %s｜ISR %s"
% (", ".join("0x%03X" % (4 * i) for i in main_sites),
", ".join("0x%03X" % (4 * i) for i in isr_sites)))
print(" DISP_DLY 本体：0x%03X - 0x%03X（主程序用，链接在 ra）"
% (disp_pc, disp_pc + 28))
print(" DISP_DLY_ISR 本体：0x%03X - 0x%03X（ISR 用，链接在 a0，不碰 ra）"
% (disp_pc + 32, disp_pc + 60))
print(" 修正的现场恢复顺序：%d 条" % fixed_pops)
print(" ISR3 SB 测试改用的已保存寄存器：%d 条" % fixed_sb)
if bad_store:
print(" 顺带修正的字节写显示：%s"
% ", ".join("0x%03X" % (4 * i) for i in bad_store))
print(" 中断入口（不变）：0x0AC / 0x1E4 / 0x308")
if dst_fast:
print(" 仿真快版：%s（延时约 0.6 us）" % dst_fast)
main()
pipelined-cpu/programs/rars_f0c874c.jar → pipelined-cpu/tools/rars_f0c874c.jar
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