Anccend/risc-v-cpu
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base: Anccend/risc-v-cpu:feat/isa-ext
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Anccend/risc-v-cpu:feat/saolei-minesweeper Anccend/risc-v-cpu:feat/isa-ext Anccend/risc-v-cpu:master
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feat/isa-ext .. f50639e90f
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Alpha f50639e90f 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
 2026-09-16 20:11:00 +08:00
22 changed files with 11930 additions and 971 deletions
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.gitignore
+3
View File
@@ -14,3 +14,6 @@ _vivado/
*.pb *.pb
*.hex.lst *.hex.lst
.Xil/ .Xil/
# saolei 的构建产物（tools/build.ps1 一键重建，不入库）
saolei/build/
README.md
+59 -20
View File
@@ -10,20 +10,28 @@
```text ```text
risc-v/ risc-v/
├─ README.md 本文档
├─ pipelined-cpu/ Vivado 工程目录（也是源文件所在地） ├─ pipelined-cpu/ Vivado 工程目录（也是源文件所在地）
│ ├─ create_project.tcl 一键重建工程的 Tcl 脚本 │ ├─ create_project.tcl 一键重建工程的 Tcl 脚本
│ ├─ srcs/rtl/*.v 处理器 RTL（13 个文件，cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v 为顶层） │ ├─ srcs/rtl/*.v 处理器与外设 RTL（17 个文件，cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v 为处理器顶层）
│ │ 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）、片内 ROM 初始化
│ ├─ srcs/constrs/*.xdc 引脚与分频时钟约束（+ Nexys4DDR 母版） │ ├─ 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/tb/*.v 三个测试平台
│ ├─ srcs/rom/*.hex 测试平台加载的 ROM 镜像 │ ├─ 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） │ ├─ 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） │ └─ programs/ 汇编源程序、期望值、课程原始资产（RARS）
│ └─ pipelined-cpu.xpr（+*.runs/…） 本机工程与生成物（不入库，可删） └─ saolei/ 纯 C 扫雷（MMIO 显示 + 中断读鼠标），见下文
├─ cpu21_riscv_redirect_int_bpb说明.md 本文档 ├─ sw/ C 源码 + 链接脚本（三个固定中断入口）
└─ _tmp/、_vivado/ 本地临时目录（不入库） └─ tools/ build.ps1（C → ROM）、check_isa.py（指令白名单校验）
``` ```
**仓库里不放任何 Vivado 生成物**（`.xpr`、`.runs`、`.sim`、`.cache`、`.hw`、
`.ip_user_files`、`.Xil`、`vivado.jou/log` 本地已清理干净）：需要工程时用
`source create_project.tcl` 一键重建，这样仓库始终是最清爽的源文件状态。
约定：git 只跟踪 `pipelined-cpu/` 下的源文件（`srcs/`、`tools/`、`programs/`、 约定：git 只跟踪 `pipelined-cpu/` 下的源文件（`srcs/`、`tools/`、`programs/`、
`create_project.tcl`），Vivado 生成物（`*.xpr`、`*.runs`、`*.sim`、`*.cache`…）由 `create_project.tcl`），Vivado 生成物（`*.xpr`、`*.runs`、`*.sim`、`*.cache`…）由
`.gitignore` 排除。`srcs/rtl/` 只放可综合的处理器源码；板级顶层与约束在 `srcs/board/`、 `.gitignore` 排除。`srcs/rtl/` 只放可综合的处理器源码；板级顶层与约束在 `srcs/board/`、
@@ -72,13 +80,22 @@ risc-v/
## MMIO 与外设 ## MMIO 与外设
外设寄存器映射在数据存储器地址空间，由 `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v` 在 MEM 级译码， 外设寄存器映射在数据存储器地址空间，由 `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v` 在 MEM 级译码。
顶层参数 `LED_ADDR`（默认 `0x0000_1000`）指定 LED 数据寄存器的地址。 这些地址都在 4 KB 数据 RAM（`0x0000`–`0x0FFC`）之外，因此不会与 RAM 冲突。
该地址位于 4 KB 数据 RAM（`0x0000`–`0x0FFC`）之外，因此不会与 RAM 冲突。 每行的字节偏移都按**字**对齐译码（同一 32 位寄存器内任意字节偏移都命中）。
| 地址 | 外设 | 写 | 读 | | 地址 | 外设 | 写 | 读 |
| ------------- | -------------- | ---------------------------------------------------------------------------- | -------------------------- | | ---------------------- | -------------- | ---------------------------------------------------------------------------- | -------------------------- |
| `0x0000_1000` | LED 数据寄存器 | `sw` 写全字；`sb` 按 `data_wstrb_o` 只改对应字节通道，`led_valid_o` 拉高一拍 | `lw` 返回 LED 寄存器当前值 | | `0x0000_1000` | LED 数据寄存器 | `sw` 写全字；`sb` 按 `data_wstrb_o` 只改对应字节通道，`led_valid_o` 拉高一拍 | `lw` 返回 LED 寄存器当前值 |
| `0x0000_1004` | 七段数码管 | `sw`/`sb` 写 8 位十六进制数（低 4 位 = 最右边那个数码管） | `lw` 读回 |
| `0x0000_1100`+ | 鼠标寄存器组 | STATUS / DATA / ACK / CTRL / INPUT / TIME / FRAME / EVCNT / LEVEL / MAGIC | 同左（DATA 读无副作用） |
| `0x0000_1140`+ | 显示控制器 | CTRL（光标可见、背景色）/ CURSOR（列、行） | 同左（另含 MAGIC 自检值） |
| `0x0000_2000`–`0x27FF` | 显存 | 40 列 × 30 行、每格 1 字节（字形 + 颜色），写端口接到板级顶层的双口 RAM | `lw` 组合读回 |
其中 `LEVEL`（`0x1120`）是一个**软件中断**寄存器：写 1 会拉起 `irq_i[1]`，用来让程序
"跳到关卡入口"；`MAGIC`（`0xCAFE0001`/`0xCAFE0002`）可以读来自检 MMIO 是否活着。
鼠标事件 FIFO（深度 16）配合 `mouse_irq_o` 提供"事件到达即中断"，`isr_body` 读空 FIFO 后
中断线自动回 0，因此不会丢事件。
地址译码按**字**对齐：同一 32 位寄存器内的任意字节偏移（如 `0x1001`）都算命中， 地址译码按**字**对齐：同一 32 位寄存器内的任意字节偏移（如 `0x1001`）都算命中，
具体修改哪几个字节由 `data_wstrb_o` 决定。`data_addr_o` 在命中 MMIO 时不会 具体修改哪几个字节由 `data_wstrb_o` 决定。`data_addr_o` 在命中 MMIO 时不会
@@ -137,8 +154,13 @@ risc-v/
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_hazard_unit.v` | `cpu21_riscv_hazard_unit` | load-use 冒险、停顿（stall）与冲刷（flush）判定 | | `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_hazard_unit.v` | `cpu21_riscv_hazard_unit` | load-use 冒险、停顿（stall）与冲刷（flush）判定 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_irq_ctrl.v` | `cpu21_riscv_irq_ctrl` | 中断采样与优先级、`ustatus`/`uepc` CSR、嵌套返回栈 | | `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_irq_ctrl.v` | `cpu21_riscv_irq_ctrl` | 中断采样与优先级、`ustatus`/`uepc` CSR、嵌套返回栈 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_perf_counters.v` | `cpu21_riscv_perf_counters` | 周期/停顿/气泡/分支/预测成功率等统计计数器 | | `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_perf_counters.v` | `cpu21_riscv_perf_counters` | 周期/停顿/气泡/分支/预测成功率等统计计数器 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v` | `cpu21_mmio` | MMIO 外设：LED 数据寄存器（可写、可读回，支持字节写） | | `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v` | `cpu21_mmio` | MMIO 中枢：LED、七段数码管、鼠标寄存器组 + 事件 FIFO + 中断、显示控制器、显存窗口 |
| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v` | `cpu21_board_top` | 板级顶层：时钟分频、复位同步、片内 ROM/RAM、引脚外设连接 | | `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_vga.v` | `cpu21_vga` | 640x480@60 显示控制器：按"格子"扫描，8x8 字模放大 2 倍填满 16x16 的格子 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_seg7.v` | `cpu21_seg7` | 板载 8 位数码管动态扫描驱动（共阳极，位选/段选低有效） |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_pointer.v` | `cpu21_pointer` | 把 5 向按键变成"鼠标"事件（去抖 + 事件排队，单位 1/8 格） |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_ps2_mouse.v` | `cpu21_ps2_mouse` | 可选的真鼠标：PS/2 接收（11 位帧 + 奇校验 + 3 字节包解析），只实现接收 |
| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v` | `cpu21_board_top` | 板级顶层：时钟分频、复位同步、片内 ROM/RAM、显存双口 RAM、VGA/数码管/鼠标/中断连线 |
| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh` | — | 扫雷程序的 ROM 初始化（由 `saolei/tools/build.ps1` 生成） |
| `pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc` | — | Nexys4DDR 引脚约束 + 分频时钟（`create_generated_clock`） | | `pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc` | — | Nexys4DDR 引脚约束 + 分频时钟（`create_generated_clock`） |
| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh` | — | 片内 ROM 内容（生成文件，`rom[i] = 32'h…;`） | | `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh` | — | 片内 ROM 内容（生成文件，`rom[i] = 32'h…;`） |
| `pipelined-cpu/srcs/tb/tb_board_top.v` | `tb_board_top` | 板级顶层的 RTL 仿真（观察 LED 跑马灯与写入指示） | | `pipelined-cpu/srcs/tb/tb_board_top.v` | `tb_board_top` | 板级顶层的 RTL 仿真（观察 LED 跑马灯与写入指示） |
@@ -157,7 +179,8 @@ risc-v/
BPB/中断观测值）。如果直接把它设为实现顶层，这些端口会全部变成引脚，导致 BPB/中断观测值）。如果直接把它设为实现顶层，这些端口会全部变成引脚，导致
`[Place 30-415] IO Placement failed due to overutilization`（占用 775 个 IO， `[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， 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 23 个引脚，其余调试端口不连接。 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。
### 引脚分配（`cpu21_board_top.xdc`） ### 引脚分配（`cpu21_board_top.xdc`）
@@ -277,6 +300,22 @@ CPU 时钟 6.25 MHz → 50 MHz（快 8 倍），并且乘除法不再位于关
`.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 `.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。 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。
## 扫雷程序（`saolei/`）
`saolei/` 是一个**纯 C 写的扫雷**，用 RISC-V 工具链编译成机器码后固化进片内 ROM 运行，
反过来验证这套 MMIO/中断/显示/鼠标外设。完整说明见 `saolei/README.md`，要点：
- **三段中断入口**（地址由 `saolei/sw/linker.ld` 定死，与顶层 `IRQ1/2/3_VECTOR` 成对）：
IRQ1=`0x100` 关卡（游戏）程序、IRQ2=`0x200` 鼠标读取、IRQ3=`0x300` 备用；
- **两层结构**：背景 `main()` 画开始界面并一直运行 → 点"开始"写 `LEVEL` 寄存器拉起软件中断
→ CPU 跳进 `0x100` 的关卡程序跑完整局 → 点左上角黄格 `uret` 回到背景被打断的那条指令；
- **纯 C**，只有三处必要的内联汇编：设 `sp`、三个中断入口的现场保护、`uret`；
- **指令子集适配**：没有 `auipc`/`lb`/`lbu`/有符号 `div`，所以程序只按字节写显存、
索引全用移位、且不含 `.data`/`.rodata`（链接脚本用 `ASSERT` 兜住）；
- **构建**：`saolei/tools/build.ps1`（C → ELF → `.hex` + `cpu21_saolei_rom.vh`），
并用 `check_isa.py` 逐条反汇编检查有没有用到未实现的指令。实测 842 条指令全部合法；
- **上板切换**：Vivado 里定义宏 `SAOLEI_ROM` 就加载扫雷程序，不定义仍是下面的跑马灯。
## 回归测试 ## 回归测试
工程里带了一个 xsim 回归脚本，在 `pipelined-cpu/` 目录下运行： 工程里带了一个 xsim 回归脚本，在 `pipelined-cpu/` 目录下运行：
@@ -298,12 +337,12 @@ powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\run_regress.ps1
期望结果（2026-09，多周期乘除法 + `CLK_DIV=2`）： 期望结果（2026-09，多周期乘除法 + `CLK_DIV=2`）：
| 测试 | 期望 | | 测试 | 期望 |
| ---- | ---- | | -------------------------------------------------- | ---------------------------------------------------------------------------- |
| muldiv_test / isa_test / lui_test / mmio_test | 13 / 24 / 4 / 5 个 LED 值全部匹配 | | muldiv_test / isa_test / lui_test / mmio_test | 13 / 24 / 4 / 5 个 LED 值全部匹配 |
| tb_no_intr（benchmark，5560 周期） | `stalls=1528 bubbles=1830 cond_taken=639 uncond=71 pred_ok=687 pred_fail=80` | | tb_no_intr（benchmark，5560 周期） | `stalls=1528 bubbles=1830 cond_taken=639 uncond=71 pred_ok=687 pred_fail=80` |
| tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb（中断，6003 周期） | `stalls=963 bubbles=1205 cond_taken=547 uncond=28 pred_ok=557 pred_fail=87` | | tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb（中断，6003 周期） | `stalls=963 bubbles=1205 cond_taken=547 uncond=28 pred_ok=557 pred_fail=87` |
| 板级（快速 ROM） | 跑马灯 `0001 → … → 8000` 循环，每步约 2.6 µs | | 板级（快速 ROM） | 跑马灯 `0001 → … → 8000` 循环，每步约 2.6 µs |
## 工程分享（Tcl 一键重建） ## 工程分享（Tcl 一键重建）
pipelined-cpu/create_project.tcl
+10
View File
@@ -64,6 +64,16 @@ add_files -norecurse -fileset sources_1 [list \
set_property file_type {Verilog Header} \ set_property file_type {Verilog Header} \
[get_files "$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_rom.vh"] [get_files "$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_rom.vh"]
# 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。
set saolei_rom "$origin_dir/srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh"
if {[file exists $saolei_rom]} {
add_files -norecurse -fileset sources_1 [list $saolei_rom]
set_property file_type {Verilog Header} [get_files $saolei_rom]
} else {
puts "NOTE: 还没有 $saolei_rom —— 需要先跑 saolei/tools/build.ps1 生成"
}
# 约束（cpu21_board_top.xdc 是引脚与分频时钟约束） # 约束（cpu21_board_top.xdc 是引脚与分频时钟约束）
add_files -norecurse -fileset constrs_1 [glob "$origin_dir/srcs/constrs/*.xdc"] add_files -norecurse -fileset constrs_1 [glob "$origin_dir/srcs/constrs/*.xdc"]
pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v
+309 -127
View File
@@ -25,159 +25,341 @@
// 注意：ROM_WORDS / RAM_WORDS 需为 2 的幂（默认 1024，对应地址位 [11:2]）。 // 注意：ROM_WORDS / RAM_WORDS 需为 2 的幂（默认 1024，对应地址位 [11:2]）。
// ----------------------------------------------------------------------------- // -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_board_top #( module cpu21_board_top #(
parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000, parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000,
parameter ROM_WORDS = 1024, parameter ROM_WORDS = 8192,
parameter RAM_WORDS = 1024, parameter RAM_WORDS = 1024,
parameter [31:0] USTATUS_INIT = 32'h0000_0001, parameter [31:0] USTATUS_INIT = 32'h0000_0001,
// 板载 100 MHz 的分频比（1 = 直用 100 MHz，2 = 50 MHz，…）。 // 板载 100 MHz 的分频比（1 = 直用 100 MHz，2 = 50 MHz，…）。
// 乘除法改成多周期单元后，原来 ~94 ns 的组合乘法/除法已经不在关键路径上， // 乘除法改成多周期单元后，原来 ~94 ns 的组合乘法/除法已经不在关键路径上，
// 实测（xc7a100tcsg324-1）： // 实测（xc7a100tcsg324-1）：
// CLK_DIV=1（100 MHz）：WNS = -1.1 ns，违例路径是 EX 级的 // CLK_DIV=1（100 MHz）：WNS = -1.1 ns，违例路径是 EX 级的
// 分支判决/中断保存 → BPB 更新，与乘除法无关（逻辑只占 ~3 ns， // 分支判决/中断保存 → BPB 更新，与乘除法无关（逻辑只占 ~3 ns，
// 7~8 ns 都是布线）； // 7~8 ns 都是布线）；
// CLK_DIV=2（ 50 MHz）：WNS ≈ +8 ns，余量充足。 // 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。 // 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 parameter integer CLK_DIV = 2,
) ( // 鼠标事件源：0 = 板上 5 向按键（免外设，默认）；1 = PS/2 鼠标（Pmod JA）
input wire clk100, // E3 parameter integer USE_PS2_MOUSE = 0
input wire rst_n, // C12：CPU_RESETN，低有效 ) (
input wire go, // N17：BTNC input wire clk100, // E3
input wire [ 2:0] irq_sw, // SW[2:0] input wire rst_n, // C12：CPU_RESETN，低有效
output wire [15:0] led, // LED[15:0] input wire go, // N17：BTNC（同时用作鼠标左键）
output wire led_we // LED16_B：MMIO 写入指示 input wire [ 2:0] irq_sw, // SW[2:0]：原来的 3 路中断源（保持兼容）
); input wire btnu, // M18：光标上
localparam ROM_AW = $clog2(ROM_WORDS); input wire btnd, // P18：光标下
localparam RAM_AW = $clog2(RAM_WORDS); input wire btnl, // P17：光标左
input wire btnr, // M17：光标右
input wire sw_flag, // R15：SW[3]，插旗模式（软件读 INPUT 寄存器）
output wire [15:0] led, // LED[15:0]
output wire led_we, // LED16_B：MMIO 写入指示
// 七段数码管（共阳极：位选/段选都是低有效）
output wire [ 7:0] an,
output wire [ 6:0] seg,
output wire dp,
// VGA
output wire [ 3:0] vga_r,
output wire [ 3:0] vga_g,
output wire [ 3:0] vga_b,
output wire vga_hs,
output wire vga_vs,
// PS/2（只有 USE_PS2_MOUSE=1 时才用）
input wire ps2_clk,
input wire ps2_data
);
localparam ROM_AW = $clog2(ROM_WORDS);
localparam RAM_AW = $clog2(RAM_WORDS);
wire arst = ~rst_n; // 异步复位（高有效） 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 / CLK_DIV（默认 2 = 50 MHz）给 CPU。
// //
// 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 // 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”， // 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。 // 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， // 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。 // 改分频比时两处要一起改。
// --------------------------------------------------------------------------- // ---------------------------------------------------------------------------
reg [15:0] clk_cnt; reg [15:0] clk_cnt;
reg clk_div; reg clk_div;
always @(posedge clk100 or posedge arst) begin always @(posedge clk100 or posedge arst) begin
if (arst) begin if (arst) begin
clk_cnt <= 16'd0; clk_cnt <= 16'd0;
clk_div <= 1'b0; clk_div <= 1'b0;
end else if (clk_cnt == (CLK_DIV / 2 - 1)) begin end
clk_cnt <= 16'd0; else if (clk_cnt == (CLK_DIV / 2 - 1)) begin
clk_div <= ~clk_div; clk_cnt <= 16'd0;
end else begin clk_div <= ~clk_div;
clk_cnt <= clk_cnt + 16'd1; end
else begin
clk_cnt <= clk_cnt + 16'd1;
end
end end
end
wire clk_cpu = clk_div; wire clk_cpu = clk_div;
// --------------------------------------------------------------------------- // ---------------------------------------------------------------------------
// 复位同步器：按键异步置位、释放与 CPU 时钟同步 // 复位同步器：按键异步置位、释放与 CPU 时钟同步
// --------------------------------------------------------------------------- // ---------------------------------------------------------------------------
reg [2:0] rst_sync_q; reg [2:0] rst_sync_q;
always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
if (arst) rst_sync_q <= 3'b111; if (arst)
else rst_sync_q <= {rst_sync_q[1:0], 1'b0}; rst_sync_q <= 3'b111;
end else
rst_sync_q <= {rst_sync_q[1:0], 1'b0};
end
wire reset = rst_sync_q[2]; wire reset = rst_sync_q[2];
// CPU 接口连线（先声明：后面的 ROM/RAM 逻辑与例化都要用到） // CPU 接口连线（先声明：后面的 ROM/RAM 逻辑与例化都要用到）
wire [31:0] instr_addr; wire [31:0] instr_addr;
wire [31:0] data_addr; wire [31:0] data_addr;
wire [31:0] data_wdata; wire [31:0] data_wdata;
wire [ 3:0] data_wstrb; wire [ 3:0] data_wstrb;
wire data_we; wire data_we;
wire [31:0] led_data; wire [31:0] led_data;
wire led_valid; 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）
// 指令 ROM：组合读 wire [31:0] seg_data; // 数码管：8 位十六进制
// --------------------------------------------------------------------------- wire seg_valid;
reg [31:0] rom [0:ROM_WORDS-1]; wire fb_we; // 显存写端口
integer i; wire [ 9:0] fb_waddr;
wire [31:0] fb_wdata;
initial begin wire [ 3:0] fb_wstrb;
for (i = 0; i < ROM_WORDS; i = i + 1) rom[i] = 32'h0000_0013; // NOP 填充 wire [ 9:0] fb_raddr; // 显存读端口（VGA）
`ifdef BOARD_ROM_FAST wire mouse_irq, level_irq; // 鼠标事件中断 / 软件中断（关卡入口）
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。
wire [ 2:0] irq_vec = {irq_sw[2], (level_irq | irq_sw[1]), (mouse_irq | irq_sw[0])};
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 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） // 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" `include "cpu21_board_rom_fast.vh"
`else `else
`include "cpu21_board_rom.vh" `include "cpu21_board_rom.vh"
`endif `endif
end
// --------------------------------------------------------------------------- end
// 数据 RAM：字节写使能 + 组合读
// ---------------------------------------------------------------------------
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; // 数据 RAM：字节写使能 + 组合读
end // ---------------------------------------------------------------------------
reg [31:0] ram[0:RAM_WORDS-1];
integer j;
wire [ROM_AW+1:2] rom_index = instr_addr[ROM_AW+1:2]; initial begin
wire [RAM_AW+1:2] ram_index = data_addr[RAM_AW+1:2]; for (j = 0; j < RAM_WORDS; j = j + 1)
wire ram_sel = (data_addr[31:RAM_AW+2] == 0); ram[j] = 32'b0;
end
wire [31:0] instr_word = rom[rom_index]; wire [ROM_AW+1:2] rom_index = instr_addr[ROM_AW+1:2];
wire [31:0] data_rdata = ram_sel ? ram[ram_index] : 32'b0; wire [RAM_AW+1:2] ram_index = data_addr[RAM_AW+1:2];
wire ram_sel = (data_addr[31:RAM_AW+2] == 0);
always @(posedge clk_cpu) begin wire [31:0] instr_word = rom[rom_index];
wire [31:0] data_rdata = ram_sel ? ram[ram_index] : 32'b0;
always @(posedge clk_cpu) begin
if (ram_sel && data_we) begin if (ram_sel && data_we) begin
if (data_wstrb[0]) ram[ram_index][7:0] <= data_wdata[7:0]; if (data_wstrb[0])
if (data_wstrb[1]) ram[ram_index][15:8] <= data_wdata[15:8]; ram[ram_index][7:0] <= data_wdata[7:0];
if (data_wstrb[2]) ram[ram_index][23:16] <= data_wdata[23:16]; if (data_wstrb[1])
if (data_wstrb[3]) ram[ram_index][31:24] <= data_wdata[31:24]; 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
end end
// --------------------------------------------------------------------------- // ---------------------------------------------------------------------------
// 处理器：只连接上板需要的端口，调试端口留空（不产生 I/O） // 处理器：只连接上板需要的端口，调试端口留空（不产生 I/O）
// --------------------------------------------------------------------------- // ---------------------------------------------------------------------------
cpu21_riscv_redirect_int_bpb #( cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
.LED_ADDR (LED_ADDR), .LED_ADDR (LED_ADDR),
.USTATUS_INIT(USTATUS_INIT) .USTATUS_INIT(USTATUS_INIT),
) u_cpu ( // 三个中断入口：必须与 sw/linker.ld 里
.clk (clk_cpu), // .text.isr1/2/3 的地址一致
.reset (reset), // IRQ1(0x100) = 关卡（游戏）入口
.instr_i (instr_word), // IRQ2(0x200) = 鼠标读取
.data_rdata_i(data_rdata), // IRQ3(0x300) = 备用
.irq_i (irq_sw), .IRQ1_VECTOR (32'h0000_0100),
.go_i (go), .IRQ2_VECTOR (32'h0000_0200),
.IRQ3_VECTOR (32'h0000_0300)
) u_cpu (
.clk (clk_cpu),
.reset (reset),
.instr_i (instr_word),
.data_rdata_i(data_rdata),
.irq_i (irq_vec),
.go_i (go),
.instr_addr_o(instr_addr), .instr_addr_o(instr_addr),
.data_addr_o (data_addr), .data_addr_o (data_addr),
.data_wdata_o(data_wdata), .data_wdata_o(data_wdata),
.data_wstrb_o(data_wstrb), .data_wstrb_o(data_wstrb),
.data_we_o (data_we), .data_we_o (data_we),
.led_data_o (led_data), .led_data_o (led_data),
.led_valid_o(led_valid) .led_valid_o(led_valid),
);
// --------------------------------------------------------------------------- // 扫雷扩展外设
// 板载 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位；写入指示拉长便于观察 .seg_data_o (seg_data),
// --------------------------------------------------------------------------- .seg_valid_o (seg_valid),
assign led = led_data[15:0]; .fb_we_o (fb_we),
.fb_waddr_o (fb_waddr),
.fb_wdata_o (fb_wdata),
.fb_wstrb_o (fb_wstrb),
.fb_rdata_i (fb_rdata),
.disp_ctrl_o (disp_ctrl),
.disp_cursor_o (disp_cursor),
.mouse_ev_valid_i(ev_valid),
.mouse_dx_i (ev_dx),
.mouse_dy_i (ev_dy),
.mouse_btn_i (ev_btn),
.sw_i (sw_vec),
.frame_tick_i (frame_tick),
.mouse_irq_o (mouse_irq),
.level_irq_o (level_irq)
);
reg [23:0] led_we_cnt; // ---------------------------------------------------------------------------
// 板载 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位；写入指示拉长便于观察
// ---------------------------------------------------------------------------
assign led = led_data[15:0];
always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin reg [23:0] led_we_cnt;
if (arst) led_we_cnt <= 24'd0;
else if (led_valid) led_we_cnt <= 24'hFF_FFFF; // 约 0.34 s @50 MHz always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
else if (led_we_cnt != 24'd0) led_we_cnt <= led_we_cnt - 24'd1; if (arst)
end 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;
end
assign led_we = (led_we_cnt != 24'd0);
// ===========================================================================
// 扫雷外设：显存 + VGA + 七段数码管 + 鼠标事件源 + 中断连线
//
// 显存是一块 1200 字节的双口 RAM（40x30 格，每格 1 字节）：CPU 通过 MMIO 的
// fb_* 写端口写入，VGA 用另一个读端口组合读出。两者同处 clk_cpu 域（VGA 的
// 25 MHz 像素节拍由使能信号产生，不是独立时钟），因此没有跨时钟域问题。
// ===========================================================================
localparam integer FB_WORDS = 300; // 300 字 = 1200 字节
// ---- 显存 ----
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;
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];
end
end
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;
end
wire px_tick = ~px_q;
cpu21_vga u_vga (
.clk (clk_cpu),
.reset (reset),
.tick (px_tick),
.fb_raddr_o (fb_raddr),
.fb_word_i (fb_rdata),
.ctrl_i (disp_ctrl),
.cursor_i (disp_cursor),
.vga_r (vga_r),
.vga_g (vga_g),
.vga_b (vga_b),
Tcl 一键重建
ga_hs (vga_hs),
.vga_vs (vga_vs),
.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 (
.clk (clk_cpu),
.reset (reset),
.seg_data_i(seg_data),
.an_en_i (8'hFF),
.an_o (an),
.seg_o (seg),
.dp_o (dp)
);
// ---- 鼠标事件源 ----
wire ev_valid;
wire [7:0] ev_dx, ev_dy;
wire [4:0] ev_btn;
wire [4:0] btn_vec = {go, btnu, btnd, btnl, btnr}; // {BTNC, BTNU, BTND, BTNL, BTNR}
generate
if (USE_PS2_MOUSE != 0) begin : g_ps2
cpu21_ps2_mouse u_ps2 (
.clk (clk_cpu),
.reset (reset),
.ps2_clk_i (ps2_clk),
.ps2_clk_oe_o (),
.ps2_data_i (ps2_data),
.ps2_data_oe_o(),
.ev_valid_o (ev_valid),
.ev_dx_o (ev_dx),
.ev_dy_o (ev_dy),
.ev_btn_o (ev_btn),
.rx_count_o ()
)
;
end
else begin : g_btn
cpu21_pointer #(
.SAMPLE_DIV(50000)
) u_ptr (
.clk (clk_cpu),
.reset (reset),
.btn_i (btn_vec),
.ev_valid_o(ev_valid),
.ev_dx_o (ev_dx),
.ev_dy_o (ev_dy),
.ev_btn_o (ev_btn)
);
end
endgenerate
assign led_we = (led_we_cnt != 24'd0);
endmodule endmodule
`default_nettype wire `default_nettype wire
pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh
+8194
View File
File diff suppressed because it is too large Load Diff
pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc
+49
View File
@@ -45,3 +45,52 @@ 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， ## 上板调试时可把 MMIO 写入的 LED 寄存器也引到 LED16_R/G，
## 但默认只用一个引脚，避免与 led_we 争用。 ## 但默认只用一个引脚，避免与 led_we 争用。
## ======================= 扫雷扩展外设 =======================
## 5 向按键：BTNC 已作 go（同时也当鼠标左键），另外 4 个当光标方向
set_property -dict { PACKAGE_PIN M18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnu }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN P18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnd }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN P17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnl }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN M17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnr }]
## SW[3]：插旗模式（1 = 点击时插旗/取消旗）
set_property -dict { PACKAGE_PIN R15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_flag }]
## 七段数码管（共阳极：位选/段选都是低有效）
set_property -dict { PACKAGE_PIN T10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[0] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN R10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[1] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN K16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[2] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN K13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[3] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN P15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[4] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN T11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[5] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN L18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[6] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN H15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { dp }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN J17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[0] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN J18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[1] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN T9 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[2] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN J14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[3] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN P14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[4] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN T14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[5] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN K2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[6] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN U13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[7] }]
## VGA（640x480@60，25 MHz 像素节拍由 CPU 时钟使能产生）
set_property -dict { PACKAGE_PIN A3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[0] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN B4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[1] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN C5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[2] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN A4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[3] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN C6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[0] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN A5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[1] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN B6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[2] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN A6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[3] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN B7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[0] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN C7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[1] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN D7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[2] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN D8 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[3] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN B11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_hs }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN B12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_vs }]
## PS/2 鼠标（可选：Pmod JA 插 Pmod PS2，顶层 USE_PS2_MOUSE=1）
set_property -dict { PACKAGE_PIN C17 IOSTANDARD LVCMOS33 PULLUP true } [get_ports { ps2_clk }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN D18 IOSTANDARD LVCMOS33 PULLUP true } [get_ports { ps2_data }]
pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v
+295 -47
View File
@@ -4,59 +4,307 @@
// ----------------------------------------------------------------------------- // -----------------------------------------------------------------------------
// MMIO：把外设寄存器映射到数据存储器地址空间。 // MMIO：把外设寄存器映射到数据存储器地址空间。
// //
// 目前实现 LED 数据寄存器（LED_ADDR 默认 0x0000_1000，位于 4 KB 数据 RAM 之外）： // 地址映射（字节地址，都是"字对齐"译码：同一 32 位寄存器内的任意字节偏移都命中，
// * 写：sw / sb 命中该地址（按字对齐，即同一 32 位寄存器内的任意字节偏移 // 具体改哪几个字节由 wstrb_i 决定，与原来 LED 的语义一致）：
// 都算命中）时更新 LED 寄存器，led_valid_o 拉高一拍；sb 依据 wstrb_i 只
// 修改对应的字节通道（与 RAM 的字节写语义一致）。
// * 读：lw 命中该地址时 rdata_hit_o 拉高，顶层据此选择本模块的 rdata_o
// 而不是外部 data_rdata_i，从而支持把 LED 值读回。
// //
// 以后要增加外设（拨码开关、UART 等）时只需在这里扩展地址译码， // 0x0000_1000 LED 数据寄存器（**保持原有语义不变**，led_valid_o 拉高一拍）
// 处理器核心与流水线时序不需要改动。 // 0x0000_1004 七段数码管：8 位十六进制数（每 4 位一个数码管，低 4 位 = 最右）
// 0x0000_1100 + 4*k 鼠标寄存器组（见下）
// 0x0000_1140 + 4*k 显示控制器寄存器（见下）
// 0x0000_2000 - 0x27FF 显存窗口：40x30 格、每格 1 字节（只用到前 1200 字节）
//
// 鼠标寄存器（基址 0x1100）：
// +0x00 STATUS RO [0] FIFO 非空 [5:1] 项数 [6] 中断使能 [7] FIFO 满
// +0x04 DATA RO [7:0] dx [15:8] dy [20:16] 按键（读无副作用）
// +0x08 ACK WO 写任意值 -> 弹出 FIFO 一项
// +0x0C CTRL RW [0] 中断使能（复位默认 1）
// +0x10 INPUT RO [15:0] 拨码开关 [20:16] 按键（原样）
// +0x14 TIME RO 自由运行计数器（随机种子）
// +0x18 FRAME RO VGA 帧计数
// +0x1C EVCNT RO 累计鼠标事件数
// +0x20 LEVEL RW [0] 写 1 -> 拉起 level_irq_o（软件中断，用作"关卡入口"）；
// 关卡程序返回前要写 0 清掉，否则下次没有上升沿
// +0x24 MAGIC RO 0xCAFE0002（自检用：读得到说明 MMIO 活着）
//
// 显示控制器寄存器（基址 0x1140）：
// +0x00 CTRL RW [0] 光标可见 [6:4] 背景色（3 位调色板）
// +0x04 CURSOR RW [5:0] 列(0..39) [13:8] 行(0..29)
// +0x08 MAGIC RO 0xCAFE0001
//
// 显存本体不在本模块里：写操作通过 fb_* 端口直接送到板级顶层的双口 RAM（VGA 读
// 同一块 RAM），读操作把 fb_rdata_i 组合回读数据，保持"组合读"的时序不变。
//
// 两个中断源：
// mouse_irq_o = 中断使能 && 事件 FIFO 非空（接 irq_i[0]）
// level_irq_o = LEVEL 寄存器（软件中断，接 irq_i[1]，用来"进入关卡"）
//
// 以后要增加外设（UART、SD 卡等）时只需在这里扩展地址译码。
// ----------------------------------------------------------------------------- // -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_mmio #( module cpu21_mmio #(
parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000 parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000,
) ( parameter integer FB_WORDS = 300,
input wire clk, parameter integer FIFO_DEPTH = 16
input wire reset, ) (
// MEM 级的访存请求（来自 EX/MEM 流水寄存器） input wire clk,
input wire mem_valid_i, input wire reset,
input wire mem_write_i, // MEM 级的访存请求（来自 EX/MEM 流水寄存器）
input wire mem_read_i, input wire mem_valid_i,
input wire [31:0] addr_i, input wire mem_write_i,
input wire [31:0] wdata_i, input wire mem_read_i,
input wire [ 3:0] wstrb_i, input wire [31:0] addr_i,
// MMIO 读回 input wire [31:0] wdata_i,
output wire [31:0] rdata_o, input wire [ 3:0] wstrb_i,
output wire rdata_hit_o, // MMIO 读回
// LED 外设 output wire [31:0] rdata_o,
output reg [31:0] led_data_o, output wire rdata_hit_o,
output reg led_valid_o // LED 外设（原样保留）
); output reg [31:0] led_data_o,
// 地址译码按“字”对齐：同一 32 位寄存器内的任意字节偏移都算命中， output reg led_valid_o,
// 具体修改哪几个字节由 wstrb_i 决定（sw 全字、sb 单字节）。 // 七段数码管：8 位十六进制数
wire led_wr = mem_valid_i && mem_write_i && (addr_i[31:2] == LED_ADDR[31:2]); output reg [31:0] seg_data_o,
wire led_rd = mem_valid_i && mem_read_i && (addr_i[31:2] == LED_ADDR[31:2]); output reg seg_valid_o,
// 显存写端口（板级顶层的双口 RAM）
output wire fb_we_o,
output wire [ 9:0] fb_waddr_o,
output wire [31:0] fb_wdata_o,
output wire [ 3:0] fb_wstrb_o,
input wire [31:0] fb_rdata_i,
// 显示控制器寄存器（给 VGA 用）
output wire [31:0] disp_ctrl_o,
output wire [31:0] disp_cursor_o,
// 鼠标事件源（来自板级顶层：按键去抖 / PS/2 解析）
input wire mouse_ev_valid_i,
input wire [ 7:0] mouse_dx_i,
input wire [ 7:0] mouse_dy_i,
input wire [ 4:0] mouse_btn_i,
input wire [15:0] sw_i,
input wire frame_tick_i,
// 中断
output wire mouse_irq_o,
output wire level_irq_o
);
// ---------------------------------------------------------------------------
// 地址译码（都按"字"对齐：同一 32 位寄存器内的任意字节偏移都算命中）
// ---------------------------------------------------------------------------
localparam [31:0] SEG_ADDR = 32'h0000_1004;
localparam [31:0] MOUSE_BASE = 32'h0000_1100;
localparam [31:0] DISP_BASE = 32'h0000_1140;
localparam integer FIFO_AW = 4;
localparam [FIFO_AW:0] FIFO_FULL_V = FIFO_DEPTH[FIFO_AW:0];
assign rdata_hit_o = led_rd; wire sel_led = (addr_i[31:2] == LED_ADDR[31:2]);
assign rdata_o = led_data_o; wire sel_seg = (addr_i[31:2] == SEG_ADDR[31:2]);
wire sel_mouse = (addr_i[31:8] == MOUSE_BASE[31:8]) && (addr_i[7:6] == 2'b00);
wire sel_disp = (addr_i[31:8] == DISP_BASE[31:8]) && (addr_i[7:6] == 2'b01);
// 显存窗口 0x2000 - 0x27FF（addr[12]=1 且 addr[11]=0）
wire sel_fb = (addr_i[31:13] == 19'd0) && addr_i[12] && !addr_i[11];
always @(posedge clk or posedge reset) begin wire [3:0] midx = addr_i[5:2];
if (reset) begin wire [3:0] didx = addr_i[5:2];
led_data_o <= 32'b0; wire [9:0] fb_widx = addr_i[10:2];
led_valid_o <= 1'b0; wire fb_ok = (fb_widx < FB_WORDS);
end else begin
// led_valid_o 只拉高一拍，作为“本周期有 LED 写入”的指示。 wire led_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_led;
led_valid_o <= 1'b0; wire led_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_led;
if (led_wr) begin wire seg_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_seg;
if (wstrb_i[0]) led_data_o[7:0] <= wdata_i[7:0]; wire seg_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_seg;
if (wstrb_i[1]) led_data_o[15:8] <= wdata_i[15:8]; wire mo_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_mouse;
if (wstrb_i[2]) led_data_o[23:16] <= wdata_i[23:16]; wire mo_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_mouse;
if (wstrb_i[3]) led_data_o[31:24] <= wdata_i[31:24]; wire dp_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_disp;
led_valid_o <= 1'b1; wire dp_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_disp;
end wire fb_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_fb && fb_ok;
wire fb_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_fb && fb_ok;
assign fb_we_o = fb_wr;
assign fb_waddr_o = fb_widx;
assign fb_wdata_o = wdata_i;
assign fb_wstrb_o = wstrb_i;
assign rdata_hit_o = led_rd | seg_rd | mo_rd | dp_rd | fb_rd;
// 字节写合并：sw 改 4 字节、sb 只改 1 字节（与 RAM 的字节写语义一致）
function [31:0] merge_bytes;
input [31:0] new_v;
input [31:0] old_v;
input [ 3:0] strb;
begin
merge_bytes[7:0] = strb[0] ? new_v[7:0] : old_v[7:0];
merge_bytes[15:8] = strb[1] ? new_v[15:8] : old_v[15:8];
merge_bytes[23:16] = strb[2] ? new_v[23:16] : old_v[23:16];
merge_bytes[31:24] = strb[3] ? new_v[31:24] : old_v[31:24];
end
endfunction
// ---------------------------------------------------------------------------
// LED：保持原有语义（led_valid_o 只拉高一拍）
// ---------------------------------------------------------------------------
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
led_data_o <= 32'b0;
led_valid_o <= 1'b0;
end
else begin
led_valid_o <= 1'b0;
if (led_wr) begin
led_data_o <= merge_bytes(wdata_i, led_data_o, wstrb_i);
led_valid_o <= 1'b1;
end
end
end end
end
// ---------------------------------------------------------------------------
// 七段数码管：8 位十六进制数（低 4 位 = 最右边那个数码管）
// ---------------------------------------------------------------------------
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
seg_data_o <= 32'b0;
seg_valid_o <= 1'b0;
end
else begin
seg_valid_o <= 1'b0;
if (seg_wr) begin
seg_data_o <= merge_bytes(wdata_i, seg_data_o, wstrb_i);
seg_valid_o <= 1'b1;
end
end
end
// ---------------------------------------------------------------------------
// 显示控制器寄存器（显存本体在板级顶层）
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [31:0] disp_ctrl_q, disp_cursor_q;
assign disp_ctrl_o = disp_ctrl_q;
assign disp_cursor_o = disp_cursor_q;
// ---------------------------------------------------------------------------
// 鼠标：事件 FIFO + 寄存器 + 中断
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [31:0] fifo [0:FIFO_DEPTH-1];
reg [FIFO_AW-1:0] wr_ptr_q, rd_ptr_q;
reg [FIFO_AW:0] cnt_q;
reg [31:0] mctrl_q, time_q, frame_q, evcnt_q;
reg level_q;
wire fifo_empty = (cnt_q == {FIFO_AW+1{1'b0}});
wire fifo_full = (cnt_q == FIFO_FULL_V);
wire [31:0] fifo_head = fifo[rd_ptr_q];
wire irq_en = mctrl_q[0];
assign mouse_irq_o = irq_en && !fifo_empty;
assign level_irq_o = level_q;
wire push = mouse_ev_valid_i && !fifo_full;
wire pop = mo_wr && (midx == 4'd2) && !fifo_empty;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
mctrl_q <= 32'h0000_0001; // 鼠标中断默认打开
time_q <= 32'd0;
frame_q <= 32'd0;
evcnt_q <= 32'd0;
level_q <= 1'b0;
wr_ptr_q <= {FIFO_AW{1'b0}};
rd_ptr_q <= {FIFO_AW{1'b0}};
cnt_q <= {(FIFO_AW+1){1'b0}};
disp_ctrl_q <= 32'h0000_0001; // 光标可见，背景色 0
disp_cursor_q <= 32'h0000_0000;
end
else begin
time_q <= time_q + 32'd1;
if (frame_tick_i)
frame_q <= frame_q + 32'd1;
if (push) begin
fifo[wr_ptr_q] <= {11'b0, mouse_btn_i, mouse_dy_i, mouse_dx_i};
wr_ptr_q <= wr_ptr_q + 1'b1;
evcnt_q <= evcnt_q + 32'd1;
end
if (pop)
rd_ptr_q <= rd_ptr_q + 1'b1;
cnt_q <= cnt_q + (push ? 1'b1 : 1'b0) - (pop ? 1'b1 : 1'b0);
// 鼠标寄存器：CTRL(3) / LEVEL(8)
if (mo_wr) begin
case (midx)
4'd3:
mctrl_q <= merge_bytes(wdata_i, mctrl_q, wstrb_i);
4'd8:
level_q <= wdata_i[0];
default:
;
endcase
end
// 显示控制器：CTRL(0) / CURSOR(1)
if (dp_wr) begin
case (didx)
4'd0:
disp_ctrl_q <= merge_bytes(wdata_i, disp_ctrl_q, wstrb_i);
4'd1:
disp_cursor_q <= merge_bytes(wdata_i, disp_cursor_q, wstrb_i);
default:
;
endcase
end
end
end
// ---------------------------------------------------------------------------
// 读数据（组合，与"指令存储器组合读/数据存储器组合读"的时序一致）
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [31:0] rdata_mux;
always @* begin
rdata_mux = 32'b0;
if (led_rd) begin
rdata_mux = led_data_o;
end
else if (seg_rd) begin
rdata_mux = seg_data_o;
end
else if (fb_rd) begin
rdata_mux = fb_rdata_i;
end
else if (mo_rd) begin
case (midx)
4'd0:
rdata_mux = {24'b0, fifo_full, irq_en, cnt_q[4:0], !fifo_empty};
4'd1:
rdata_mux = fifo_head;
4'd3:
rdata_mux = mctrl_q;
4'd4:
rdata_mux = {11'b0, mouse_btn_i, sw_i};
4'd5:
rdata_mux = time_q;
4'd6:
rdata_mux = frame_q;
4'd7:
rdata_mux = evcnt_q;
4'd8:
rdata_mux = {31'b0, level_q};
4'd9:
rdata_mux = 32'hCAFE_0002;
default:
rdata_mux = 32'b0;
endcase
end
else if (dp_rd) begin
case (didx)
4'd0:
rdata_mux = disp_ctrl_q;
4'd1:
rdata_mux = disp_cursor_q;
4'd2:
rdata_mux = 32'hCAFE_0001;
default:
rdata_mux = 32'b0;
endcase
end
end
assign rdata_o = rdata_mux;
endmodule endmodule
`default_nettype wire `default_nettype wire
pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_pointer.v
+106
View File
@@ -0,0 +1,106 @@
`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none
// -----------------------------------------------------------------------------
// cpu21_pointer —— 把板上的 5 向按键变成"鼠标"事件源（板级顶层用它给 MMIO 送事件）。
//
// 事件单位：1/8 格。按键一次 = 8 个单位 = 光标移动一格，这样软件端用
// 纯整数加减（不需要任何除法）就能把累积量换算成格，配合 PS/2 鼠标时
// 手感也一致（PS/2 的原始计数直接按 1/8 格处理）。
//
// BTNU -> dy = -8 BTND -> dy = +8
// BTNL -> dx = -8 BTNR -> dx = +8
// BTNC -> 左键按下（btn[0] = 1，dx = dy = 0）
//
// 去抖方式：用 ~1 ms 的采样节拍（50 MHz 下计数 50000）采样两级同步后的按键，
// 与上一次的稳定值比较，只在"按下"的边沿产生事件。一次采样可能同时检测到
// 多个按下，此时用 press_pend_q 排队，由优先级选择器逐个上报（每个时钟周期
// 最多一个事件），因此不会丢按键。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_pointer #(
// 采样节拍 = clk / (SAMPLE_DIV)，默认 50 MHz / 50000 = 1 kHz
parameter integer SAMPLE_DIV = 50000
) (
input wire clk,
input wire reset,
input wire [4:0] btn_i, // {BTNC, BTNU, BTND, BTNL, BTNR}
output wire ev_valid_o, // 单周期脉冲
output wire [7:0] ev_dx_o, // 有符号，1/8 格
output wire [7:0] ev_dy_o,
output wire [4:0] ev_btn_o
);
// ---------------------------------------------------------------------------
// 1 ms 采样节拍
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [15:0] div_q;
wire sample = (div_q == (SAMPLE_DIV - 1));
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset)
div_q <= 16'd0;
else if (sample)
div_q <= 16'd0;
else
div_q <= div_q + 16'd1;
end
// ---------------------------------------------------------------------------
// 两级同步 + 采样保持（采样率远低于按键抖动频率，等效去抖）
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [4:0] btn_sync1_q, btn_sync2_q, btn_stable_q;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
btn_sync1_q <= 5'b0;
btn_sync2_q <= 5'b0;
btn_stable_q <= 5'b0;
end
else begin
btn_sync1_q <= btn_i;
btn_sync2_q <= btn_sync1_q;
if (sample)
btn_stable_q <= btn_sync2_q;
end
end
// 只在按下的边沿产生新事件
wire [4:0] press_new = sample ? (btn_sync2_q & ~btn_stable_q) : 5'b0;
// ---------------------------------------------------------------------------
// 待上报队列 + 优先级选择（每周期最多上报一个）
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [4:0] press_pend_q;
wire [4:0] pend_next = press_pend_q | press_new;
reg [4:0] sel;
always @* begin
sel = 5'b0;
if (pend_next[4])
sel = 5'b10000; // BTNC：点击
else if (pend_next[3])
sel = 5'b01000; // BTNU：上
else if (pend_next[2])
sel = 5'b00010; // BTND：下
else if (pend_next[1])
sel = 5'b00001; // BTNL：左
else if (pend_next[0])
sel = 5'b00100; // BTNR：右
end
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset)
press_pend_q <= 5'b0;
else
press_pend_q <= pend_next & ~sel;
end
assign ev_valid_o = |pend_next;
assign ev_dx_o = sel[1] ? 8'd248 : (sel[0] ? 8'd8 : 8'd0); // 248 = -8 的补码
assign ev_dy_o = sel[3] ? 8'd248 : (sel[2] ? 8'd8 : 8'd0);
assign ev_btn_o = {4'b0, sel[4]};
endmodule
`default_nettype wire
Tcl 一键重建
pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_ps2_mouse.v
+145
View File
@@ -0,0 +1,145 @@
`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none
// -----------------------------------------------------------------------------
// cpu21_ps2_mouse —— 可选的真鼠标输入：PS/2 鼠标（Digilent Pmod PS2 插在 JA 上）。
//
// JA[1] = PS/2 DATA，JA[2] = PS/2 CLK（两条线都需要上拉，见 XDC 里的 PULLUP）。
//
// 注意：本模块没有在真实硬件上验证过（作者手头没有 PS/2 鼠标），如果你不用真
// 鼠标，请让顶层用 cpu21_pointer（5 向按键）作为事件源即可，C 程序完全不用改。
// 板级顶层 cpu21_board_top 用参数 USE_PS2_MOUSE 选择这两者。
//
// 实现内容：
// 1) 接收：在 ps2_clk 的下降沿采样 ps2_data，收满 11 位（起始 0 + 8 数据
// LSB 先 + 奇校验 + 停止 1）后校验并拼成 3 字节一包；
// 2) 解析：byte0 = 标志（bit0 左键、bit1 右键、bit3 固定 1），byte1 = dx，
// byte2 = dy，bit7 为符号位；
// 3) 上报：当 dx/dy 非 0 或按键状态变化时产生一个事件（单位与
// cpu21_pointer 相同，即原始计数 = 1/8 格）；
// 4) 本模块只做"接收"，不实现主机→鼠标的命令发送（0xF4 使能上报）。多数
// PS/2 鼠标上电后就会主动上报，这类鼠标可以直接用；如果你的鼠标上电毫无
// 反应，说明它需要主机先发 0xF4 —— 那部分需要自行补上，或者直接用默认的
// 5 向按键（cpu21_pointer），C 程序完全不用改。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_ps2_mouse (
input wire clk,
input wire reset,
// PS/2 双向线（开漏）
input wire ps2_clk_i,
output wire ps2_clk_oe_o,
input wire ps2_data_i,
output wire ps2_data_oe_o,
// 事件上报
output reg ev_valid_o,
output reg [7:0] ev_dx_o,
output reg [7:0] ev_dy_o,
output reg [4:0] ev_btn_o,
// 调试：收到的字节数（可选观察）
output reg [15:0] rx_count_o
);
// 开漏：oe = 1 时把线拉低，否则高阻（外部上拉）
assign ps2_clk_oe_o = 1'b0; // 本设计只接收，不主动拉低时钟（除了初始化）
assign ps2_data_oe_o = init_oe;
。本模块只接收，两条线都不驱动。
assign ps2_clk_oe_o = 1'b0;
assign ps2_data_oe_o = 1'b02_data_s1, ps2_data_s2;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
ps2_clk_s1 <= 1'b1;
ps2_clk_s2 <= 1'b1;
ps2_data_s1 <= 1'b1;
ps2_data_s2 <= 1'b1;
end
else begin
ps2_clk_s1 <= ps2_clk_i;
ps2_clk_s2 <= ps2_clk_s1;
ps2_data_s1 <= ps2_data_i;
ps2_data_s2 <= ps2_data_s1;
end
end
wire clk_fall = ~ps2_clk_s1 & ps2_clk_s2; // 同步后的下降沿
wire clk_rise = ps2_clk_s1 & ~ps2_clk_s2;
// ---------------------------------------------------------------------------
// 接收移位：11 位一帧，bit0 = 起始位，bit1..8 = 数据，bit9 = 校验，bit10 = 停止
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [3:0] bit_cnt_q;
reg [10:0] frame_q;
reg frame_ok_q;
reg [23:0] pkt_q; // 3 字节包
reg [1:0] pkt_cnt_q;
reg [7:0] byte_cnt_q; // 一包内的字节序号（0..2）
reg [7:0] dx_q, dy_q;
reg [4:0] btn_q; // {4'b0, middle, right, left} -> 只取低 3 位使用
// 校验：11 位中 1 的个数应为奇数（奇校验）
function automatic odd_parity_ok(input [10:0] f);
odd_parity_ok = ^{f[9:1]}; // data + parity 共 9 位，1 的个数应为偶数
endfunction
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
bit_cnt_q <= 4'd0;
frame_q <= 11'd0;
frame_ok_q <= 1'b0;
byte_cnt_q <= 8'd0;
pkt_q <= 24'd0;
rx_count_o <= 16'd0;
ev_valid_o <= 1'b0;
end
else begin
ev_valid_o <= 1'b0;
if (clk_fall) begin
if (bit_cnt_q == 4'd0 && ps2_data_s2 == 1'b0) begin
// 起始位有效，开始收
frame_q <= {ps2_data_s2, frame_q[10:1]};
bit_cnt_q <= 4'd1;
end
else if (bit_cnt_q != 4'd0) begin
frame_q <= {ps2_data_s2, frame_q[10:1]};
if (bit_cnt_q == 4'd10) begin
bit_cnt_q <= 4'd0;
// f = {停止, 校验, 8 数据, 起始}，这里只关心数据与校验
if (odd_parity_ok(frame_q) && (frame_q[10] == 1'b1)) begin
rx_count_o <= rx_count_o + 16'd1;
case (byte_cnt_q)
8'd0: begin
// 标志字节：bit3 必须为 1（否则是鼠标发来的其他响应，丢弃）
if (frame_q[8:1][3] == 1'b1) begin
pkt_q[7:0] <= frame_q[8:1];
byte_cnt_q <= 8'd1;
end
end
8'd1: begin
pkt_q[15:8] <= frame_q[8:1]; // dx
byte_cnt_q <= 8'd2;
end
8'd2: begin
byte_cnt_q <= 8'd0;
ev_dx_o <= frame_q[8:1]; // dy
ev_dy_o <= pkt_q[15:8]; // 注意：byte1 是 dx
ev_btn_o <= {2'b0, pkt_q[2], pkt_q[1]}; // {middle, right, left}
ev_valid_o <= 1'b1;
end
default:
byte_cnt_q <= 8'd0;
endcase
end
end
else begin
bit_cnt_q <= bit_cnt_q + 4'd1;
end
end
end
end
end
endmodule
`default_nettype wire
Tcl 一键重建
pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v
+794 -742
View File
File diff suppressed because it is too large Load Diff
pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_seg7.v
+129
View File
@@ -0,0 +1,129 @@
`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none
// -----------------------------------------------------------------------------
// cpu21_seg7 —— Nexys4DDR 板载 8 位数码管的动态扫描驱动。
//
// 输入：seg_data_i 每 4 位一个十六进制数字（低 4 位 = 最右边那个数码管），
// 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）。
// 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
) (
input wire clk,
input wire reset,
input wire [31:0] seg_data_i, // 8 个十六进制数字
input wire [ 7:0] an_en_i, // 每位是否显示
output reg [ 7:0] an_o, // 位选，低有效
output reg [ 6:0] seg_o, // 段选 a..g，低有效
output reg dp_o // 小数点，低有效
);
// ---------------------------------------------------------------------------
// 刷新计数与当前位
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [15:0] 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;
digit_q <= 3'd0;
end
else if (tick) begin
div_q <= 16'd0;
digit_q <= digit_q + 3'd1;
end
else begin
div_q <= div_q + 16'd1;
end
end
// 当前要显示的十六进制数字
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];
endcase
end
// ---------------------------------------------------------------------------
// 十六进制 -> 七段码（bit0=a ... bit6=g，1 表示该段点亮）
// ---------------------------------------------------------------------------
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
endcase
end
// ---------------------------------------------------------------------------
// 位选与段选输出（共阳极 => 低有效）
// ---------------------------------------------------------------------------
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
an_o <= 8'hFF;
seg_o <= 7'h7F;
dp_o <= 1'b1;
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
end
end
endmodule
`default_nettype wire
pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_vga.v
+242
View File
@@ -0,0 +1,242 @@
`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none
// -----------------------------------------------------------------------------
// cpu21_vga —— 640x480@60 的"格子"显示控制器（显存端口接板级顶层的双口 RAM）。
//
// CPU 不直接操作像素：它只通过 MMIO 往显示缓冲区里写"每格 1 字节"（字形 + 颜色），
// 本模块按像素扫描把格子展开成画面（8x8 字模放大 2 倍填满 16x16 的格子）。
// 这样一格只要 1 次字节写，刷屏开销极小。
//
// 网格：40 列 x 30 行，每格 16x16 像素 = 640x480。
//
// 时钟：本模块工作在 CPU 时钟（clk）下，用 tick（每 2 个 clk 一个使能）产生
// 25 MHz 的像素节拍。**不引入第二个时钟域**，因此显示缓冲区的读（本模块）
// 与写（MMIO，同一时钟）之间没有跨时钟域问题。
//
// 光标：由 CURSOR 寄存器的 (x,y) 决定，在对应格子上画一个白色闪动的方框
// （CTRL[0] 控制显示与否）。缓冲区字节的 bit7 在本模块中不使用（保留）。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_vga #(
parameter integer H_VISIBLE = 640,
parameter integer H_FP = 16,
parameter integer H_SYNC = 96,
parameter integer H_BP = 48,
parameter integer V_VISIBLE = 480,
parameter integer V_FP = 10,
parameter integer V_SYNC = 2,
parameter integer V_BP = 33,
parameter integer COLS = 40,
parameter integer ROWS = 30
) (
input wire clk,
input wire reset,
input wire tick, // 25 MHz 像素使能（每 2 个 clk 一拍）
// 显示缓冲区读端口
output wire [ 9:0] fb_raddr_o,
input wire [31:0] fb_word_i,
// 控制
input wire [31:0] ctrl_i,
input wire [31:0] cursor_i,
// VGA 输出
output reg [ 3:0] vga_r,
output reg [ 3:0] vga_g,
output reg [ 3:0] vga_b,
output reg vga_hs,
output reg vga_vs,
output reg frame_tick_o
);
localparam integer H_TOTAL = H_VISIBLE + H_FP + H_SYNC + H_BP; // 800
localparam integer V_TOTAL = V_VISIBLE + V_FP + V_SYNC + V_BP; // 525
// ---------------------------------------------------------------------------
// 扫描计数
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [9:0] hx, vy;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
hx <= 10'd0;
vy <= 10'd0;
end
else if (tick) begin
if (hx == H_TOTAL - 1) begin
hx <= 10'd0;
vy <= (vy == V_TOTAL - 1) ? 10'd0 : (vy + 10'd1);
end
else begin
hx <= hx + 10'd1;
end
end
end
wire de = (hx < H_VISIBLE) && (vy < V_VISIBLE);
// 同步信号在 tick 上寄存输出
wire hs_n = ~((hx >= (H_VISIBLE + H_FP)) && (hx < (H_VISIBLE + H_FP + H_SYNC)));
wire vs_n = ~((vy >= (V_VISIBLE + V_FP)) && (vy < (V_VISIBLE + V_FP + V_SYNC)));
// ---------------------------------------------------------------------------
// 格子索引与缓冲区读出
// ---------------------------------------------------------------------------
wire [5:0] ccol = hx[9:4]; // 0..39
wire [4:0] crow = vy[8:4]; // 0..29
wire [10:0] cidx = (crow << 5) + (crow << 3) + ccol; // row*40 + col
assign fb_raddr_o = cidx[10:2]; // 字地址（1 字 = 4 格）
wire [1:0] lane = cidx[1:0];
wire [31:0] cell_word = fb_word_i;
wire [7:0] cell_byte = cell_word >> {lane, 3'b000};
wire [3:0] glyph = cell_byte[3:0];
wire [2:0] gcolor = cell_byte[6:4];
// 全局背景色（字模点为 0 时显示的颜色）
wire [2:0] bgcolor = ctrl_i[7:4];
// ---------------------------------------------------------------------------
// 8x8 字模（bit7 = 最左像素），放大 2 倍填满 16x16 的格子
// ---------------------------------------------------------------------------
wire [2:0] fx = hx[3:1];
wire [2:0] fy = vy[3:1];
function [7:0] font_row;
input [3:0] g;
input [2:0] r;
begin
case (g)
4'd0:
font_row = 8'h00; // 空白
4'd1:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h18 : (r == 3'd1) ? 8'h38 : (r == 3'd2) ? 8'h18 :
(r == 3'd3) ? 8'h18 : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h18 :
(r == 3'd6) ? 8'h7E : 8'h00; // 1
4'd2:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h06 :
(r == 3'd3) ? 8'h0C : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h30 :
(r == 3'd6) ? 8'h7E : 8'h00; // 2
4'd3:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h06 :
(r == 3'd3) ? 8'h1C : (r == 3'd4) ? 8'h06 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 3
4'd4:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h0C : (r == 3'd1) ? 8'h1C : (r == 3'd2) ? 8'h3C :
(r == 3'd3) ? 8'h6C : (r == 3'd4) ? 8'h7E : (r == 3'd5) ? 8'h0C :
(r == 3'd6) ? 8'h0C : 8'h00; // 4
4'd5:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h7E : (r == 3'd1) ? 8'h60 : (r == 3'd2) ? 8'h7C :
(r == 3'd3) ? 8'h06 : (r == 3'd4) ? 8'h06 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 5
4'd6:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h1C : (r == 3'd1) ? 8'h30 : (r == 3'd2) ? 8'h60 :
(r == 3'd3) ? 8'h7C : (r == 3'd4) ? 8'h66 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 6
4'd7:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h7E : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h0C :
(r == 3'd3) ? 8'h18 : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h18 :
(r == 3'd6) ? 8'h18 : 8'h00; // 7
4'd8:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h66 :
(r == 3'd3) ? 8'h3C : (r == 3'd4) ? 8'h66 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 8
4'd9:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'hFF : (r == 3'd1) ? 8'h81 : (r == 3'd2) ? 8'hBD :
(r == 3'd3) ? 8'hA5 : (r == 3'd4) ? 8'hA5 : (r == 3'd5) ? 8'hBD :
(r == 3'd6) ? 8'h81 : 8'hFF; // 未揭开的方块
4'd10:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h40 : (r == 3'd1) ? 8'h70 : (r == 3'd2) ? 8'h78 :
(r == 3'd3) ? 8'h70 : (r == 3'd4) ? 8'h40 : (r == 3'd5) ? 8'h40 :
(r == 3'd6) ? 8'h40 : 8'h00; // 旗
4'd11:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h7E : (r == 3'd2) ? 8'hFF :
(r == 3'd3) ? 8'hFF : (r == 3'd4) ? 8'hFF : (r == 3'd5) ? 8'hFF :
(r == 3'd6) ? 8'h7E : 8'h3C; // 雷
4'd12:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h81 : (r == 3'd1) ? 8'h42 : (r == 3'd2) ? 8'h24 :
(r == 3'd3) ? 8'h18 : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h24 :
(r == 3'd6) ? 8'h42 : 8'h81; // 爆炸
4'd13:
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h06 :
(r == 3'd3) ? 8'h0C : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h00 :
(r == 3'd6) ? 8'h18 : 8'h00; // 问号
4'd14:
font_row = (r == 3'd3) ? 8'hFF : (r == 3'd4) ? 8'hFF : 8'h00; // 横线
4'd15:
font_row = 8'hFF; // 实心
default:
font_row = 8'h00;
endcase
end
endfunction
wire [7:0] frow = font_row(glyph, fy);
wire glyph_px = frow[3'd7 - fx]; // 1 = 画字模点
// ---------------------------------------------------------------------------
// 光标框（闪动）
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [24:0] blink_q;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset)
blink_q <= 25'd0;
else if (tick)
blink_q <= blink_q + 25'd1;
end
wire blink = blink_q[24];
wire cursor_here = (cursor_i[4:0] == ccol) && (cursor_i[12:8] == crow);
wire on_border = (hx[3:0] == 4'd0) || (hx[3:0] == 4'd15) ||
(vy[3:0] == 4'd0) || (vy[3:0] == 4'd15);
wire cursor_box = cursor_here && blink && ctrl_i[0] && on_border;
// ---------------------------------------------------------------------------
// 颜色（3 位调色板 -> 4:4:4 RGB）
// ---------------------------------------------------------------------------
function [11:0] pal;
input [2:0] c;
begin
case (c)
3'd0:
pal = {4'h0, 4'h0, 4'h0}; // 黑
3'd1:
pal = {4'h0, 4'h0, 4'hA}; // 深蓝
3'd2:
pal = {4'h0, 4'hA, 4'h0}; // 绿
3'd3:
pal = {4'h0, 4'hA, 4'hA}; // 青
3'd4:
pal = {4'hA, 4'h0, 4'h0}; // 红
3'd5:
pal = {4'hA, 4'h0, 4'hA}; // 洋红
3'd6:
pal = {4'hA, 4'hA, 4'h0}; // 黄
default:
pal = {4'hA, 4'hA, 4'hA}; // 浅灰
endcase
end
endfunction
wire [2:0] px_color = glyph_px ? gcolor : bgcolor;
wire [2:0] px_final = cursor_box ? 3'd7 : px_color;
wire [11:0] px_rgb = de ? pal(px_final) : 12'h000;
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
{vga_r, vga_g, vga_b} <= 12'h000;
vga_hs <= 1'b1;
vga_vs <= 1'b1;
frame_tick_o <= 1'b0;
end
else if (tick) begin
{vga_r, vga_g, vga_b} <= px_rgb;
vga_hs <= hs_n;
vga_vs <= vs_n;
frame_tick_o <= (hx == H_TOTAL - 1) && (vy == V_TOTAL - 1);
end
end
endmodule
`default_nettype wire
Tcl 一键重建
pipelined-cpu/srcs/tb/tb_board_top.v
+51 -34
View File
@@ -12,45 +12,62 @@
// xvlog -d BOARD_ROM_FAST board/cpu21_board_top.v <rtl/*.v> testbench/tb_board_top.v // xvlog -d BOARD_ROM_FAST board/cpu21_board_top.v <rtl/*.v> testbench/tb_board_top.v
// ----------------------------------------------------------------------------- // -----------------------------------------------------------------------------
module tb_board_top; module tb_board_top;
reg clk100 = 1'b0; reg clk100 = 1'b0;
reg rst_n = 1'b0; reg rst_n = 1'b0;
reg go = 1'b0; reg go = 1'b0;
reg [2:0] irq_sw = 3'b000; reg [2:0] irq_sw = 3'b000;
wire [15:0] led; wire [15:0] led;
wire led_we; wire led_we;
always #5 clk100 = ~clk100; // 100 MHz always #5 clk100 = ~clk100; // 100 MHz
cpu21_board_top #( cpu21_board_top #(
.LED_ADDR(32'h0000_1000) .LED_ADDR(32'h0000_1000)
) dut ( ) dut (
.clk100(clk100), .clk100(clk100),
.rst_n (rst_n), .rst_n (rst_n),
.go (go), .go (go),
.irq_sw(irq_sw), .irq_sw(irq_sw),
.led (led), .led (led),
.led_we(led_we) .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; integer changes = 0;
reg [15:0] led_prev = 16'hxxxx; reg [15:0] led_prev = 16'hxxxx;
always @(posedge clk100) begin always @(posedge clk100) begin
if (led !== led_prev) begin if (led !== led_prev) begin
changes = changes + 1; changes = changes + 1;
led_prev = led; led_prev = led;
$display("t=%t LED=%04h led_we=%b", $time, led, led_we); $display("t=%t LED=%04h led_we=%b", $time, led, led_we);
end
end end
end
initial begin initial begin
$timeformat(-9, 3, " ns", 12); // %t 按 ns 显示（默认按精度 ps 显示） $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）"); $display("NOTE: 复位后观察 LED（默认程序首次写入应为 0001）");
repeat (10) @(posedge clk100); repeat (10) @(posedge clk100);
rst_n = 1'b1; rst_n = 1'b1;
repeat (30000) @(posedge clk100); // 300 us（CPU 时钟为 clk100/2 = 50 MHz） 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); $display("FINAL: LED 变化次数=%0d 当前 LED=%04h", changes, led);
$finish; $finish;
end end
endmodule endmodule
saolei/README.md
+184
View File
@@ -0,0 +1,184 @@
# 扫雷（RISC-V / cpu21）— 纯 C + MMIO 显示 + 中断读鼠标
给 `pipelined-cpu` 里那颗 CPU（`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`）写的扫雷。
**游戏逻辑和三个中断入口都由纯 C 写成**，用 RISC-V 工具链编译成机器码后固化进片内 ROM 运行。
```
saolei/
├─ sw/
│ ├─ mmio.h 全部 MMIO 地址与格子编码（换外设地址只改这一个文件）
│ ├─ saolei.c 纯 C 扫雷：背景界面(main) + 关卡(level_main) + 棋盘与绘制
│ ├─ isr.c **中断读鼠标的代码**：三个固定地址入口 + 纯 C 服务主体 isr_body
│ ├─ start.c C 启动（设 sp、清 .bss、进 main）——只有这一处必需的内联汇编
│ └─ linker.ld ROM/RAM 布局：复位 0x0、中断入口 0x100/0x200/0x300、栈顶 0x0FFC
└─ tools/
├─ build.ps1 一键构建：C → .o → ELF → .hex + cpu21_saolei_rom.vh
├─ check_isa.py 逐条反汇编检查：有没有用到这颗核没实现的指令
└─ elf2hex.py 裸二进制 → $readmemh hex + ROM 初始化头文件
```
配套硬件在 Vivado 工程里（不在本目录）：`srcs/rtl/cpu21_mmio.v`（外设中枢）、
`cpu21_vga.v`（显示）、`cpu21_seg7.v`（数码管）、`cpu21_pointer.v`（按键当鼠标）、
`cpu21_ps2_mouse.v`（可选真鼠标）、`srcs/board/cpu21_board_top.v`（上板顶层）。
---
## 1. 程序结构：背景"伪操作系统" + 关卡 + 鼠标，正好占三个中断
CPU 复位后从 `0x0` 开始跑 `main()`（**背景程序**，从头到尾一直运行），它画开始界面
并等鼠标。整套交互是这样串起来的：
```mermaid
sequenceDiagram
participant BG as 背景 main()（0x0 起，一直跑）
participant LV as 关卡 level_main()（IRQ1 = 0x100）
participant MS as 鼠标 ISR（IRQ2 = 0x200）
BG->>BG: 画开始界面（标题 + 绿色"开始"按钮 + 光标框）
BG->>BG: 点中"开始"按钮 → 写 LEVEL 寄存器 = 1
Note over BG: 硬件拉起 irq_i[1]，CPU 跳到 0x100
BG->>LV: isr1_entry：保存现场 + 打开 MIE → level_main()
LV->>LV: 初始化关卡（布雷、画盘面）
MS-->>LV: 鼠标事件中断（IRQ2 优先级更高，嵌套进来）
LV->>LV: 轮询事件队列：移动光标 / 揭开 / 插旗
LV->>BG: 点左上角黄格 = 返回 → 清 LEVEL + uret
Note over BG: 回到被打断的那条指令，继续等下一次"开始"
```
| 入口 | 地址 | 作用 | 对应 RTL 参数 |
| ---- | ------- | ----------------------------------- | ------------- |
| 复位 | `0x000` | `_start`：设栈、进 `main` | `RESET_PC` |
| IRQ1 | `0x100` | **关卡（游戏）程序** `level_main()` | `IRQ1_VECTOR` |
| IRQ2 | `0x200` | **鼠标读取** `isr_body()` | `IRQ2_VECTOR` |
| IRQ3 | `0x300` | 备用（只 `uret`） | `IRQ3_VECTOR` |
**地址是链接脚本定死的**（`linker.ld` 里 `.text.isr1 0x100 : {...}`），所以先定地址、
再设 RTL 参数，两边成对；不存在"编完才知道地址"的问题。优先级 IRQ3 > IRQ2 > IRQ1，
所以"关卡跑在 IRQ1、鼠标跑在 IRQ2"天然允许鼠标嵌套打断关卡。
中断硬件行为（见 `cpu21_riscv_irq_ctrl.v`）：`irq_i` 上升沿置挂起位；响应时硬件自动清
挂起位、清 `ustatus[0]`（MIE）、把返回地址压进内部 EPC 栈；返回用 **`uret`**；**硬件不保存
任何通用寄存器**。因此：
- `isr1_entry`（游戏体量大会调函数）保存**全部调用者保存寄存器**，并用
`csrrsi x0,0x004,1` 打开 MIE 让鼠标中断能嵌套；
- `isr2_entry` 只存 `ra`，C 主体 `isr_body` 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` —— 这样纯 C
主体不会破坏被打断的代码；
- 事件流：鼠标/按键 → RTL 事件 FIFO（深 16）→ 中断 → `isr_body` 搬进软件环形队列 →
主循环 `handle_event()` 处理。FIFO 读空后中断线自动回 0，下一个事件重新产生上升沿，
所以不丢事件；主循环只能轮询（这颗核没有 `wfi`）。
## 2. 针对这颗 CPU 的硬约束（改 C 代码时别踩）
`cpu21_riscv_decoder.v` 实现的是 RV32I 的一个子集：
| 类别 | 有 | **没有** |
| ------ | -------------------------------------------- | ---------------------------------- |
| R 型 | add sub sll slt sltu xor srl sra or and | — |
| M 扩展 | mul mulh mulhsu mulhu **divu remu** | **div / rem（有符号）** |
| I 型 | addi slti sltiu xori ori andi slli srli srai | — |
| 访存 | **lw / sw / sb** | **lb / lh / lbu / lhu / sh** |
| 高位 | lui | **auipc** |
| 控制流 | 6 条分支 + jal + jalr | — |
| 系统 | ecall uret csrrw csrrsi csrrci | mret / sret / fence / ebreak / wfi |
对应做法：不按字节*读*内存（**写**显存用 `sb` 可以）、不做有符号除法、索引运算全用
2 的幂 + 移位/掩码、**不能有 `.data`/`.rodata`**（数据空间读不到 ROM，所以没有带初值的
全局变量、没有字符串/常量表）；字模放在 RTL 里，不在软件里。
## 3. 构建（已实测通过）
工具链：xPack `riscv-none-elf-gcc`（本机装在
`C:\Users\29653\tools\riscv\xpack-riscv-none-elf-gcc-15.2.0-1\bin`，已加入用户 PATH）。
```powershell
cd <仓库>\saolei
powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\build.ps1
# 若没配 PATH：-Prefix 'C:\Users\29653\tools\riscv\xpack-riscv-none-elf-gcc-15.2.0-1\bin\riscv-none-elf-'
```
| 步骤 | 说明 |
| ------------ | -------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 编译 | `start.c`/`saolei.c` 正常编；`isr.c` 额外加 `-ffixed-x...` |
| 链接 | `-T sw/linker.ld`；脚本里的 `ASSERT` 会拦住 `.data`/`.rodata` |
| **反汇编** | `build/saolei.lst` ← 这就是"编译出来的汇编"，可以直接读 |
| **ISA 检查** | `tools/check_isa.py` 逐条比对指令白名单，出现 `auipc`/`lb`/`lbu`/`div`… 直接报错并给修复提示 |
| 转格式 | `build/saolei.hex`（`$readmemh`）+ `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh` |
当前实测结果：`text=3368 B, data=0, bss=1436 B`，**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`。
编译参数里有三处是这颗核/工具链的坑，已经写在脚本注释里：
1. `-march=rv32im_zicsr` —— GCC 15 起 `rv32im` 不含 Zicsr，`csrrsi` 会报
`unrecognized opcode ... extension 'zicsr' required`；
2. **不要禁链接器松弛**（别加 `-mno-relax`/`-Wl,--no-relax`）—— gcc 的函数调用默认是
`auipc ra,%pcrel_hi` + `jalr`，要靠链接器松弛压成一条 `jal`；禁掉后 35 条 `auipc`
会留在代码里（这颗核没有）。用 `-msmall-data-limit=0` 保证松弛不会引入 gp 相对寻址；
3. 中断入口地址必须写在**段声明**上（`.text.isr1 0x100 : {...} > ROM`）——
只写 `. = 0x100;` 会被 `ld` 忽略（实测 isr1 掉到了 0x14）。
## 4. MMIO 地址表（与 `cpu21_mmio.v` 的译码一致）
| 地址 | 外设 |
| -------------------- | ------------------------------------------------------------------------------- |
| `0x0000_1000` | LED 数据寄存器（低 16 位点亮板载 LED） |
| `0x0000_1004` | 七段数码管：8 位十六进制数（低 4 位 = 最右） |
| `0x0000_1100+` | 鼠标：STATUS / DATA / ACK / CTRL / INPUT / TIME / FRAME / EVCNT / LEVEL / MAGIC |
| `0x0000_1140+` | 显示控制器：CTRL（光标可见、背景色）/ CURSOR（列、行）/ MAGIC |
| `0x0000_2000-0x27FF` | 显存：40 列 × 30 行、每格 1 字节（只用到前 1200 字节） |
`LEVEL` 是**软件中断**寄存器：写 1 拉起 `irq_i[1]`（关卡入口），关卡返回前写 0 清掉，
否则下次点"开始"没有新的上升沿。`MAGIC`（`0xCAFE0001/2`）可以读来自检 MMIO 是否活着。
格子编码 1 字节 = `[3:0] 字形 [6:4] 颜色 [7] 保留`；字形 0 空白、1..8 数字、9 未揭开、
10 旗、11 雷、12 爆炸、13 问号、14 横线、15 实心；颜色是 3 位调色板。
## 5. 怎么跑起来
**仿真**（用你现成的测试平台）：
```powershell
copy build\saolei.hex <仓库>\pipelined-cpu\srcs\rom\saolei.hex
# 把 srcs/tb/tb_no_intr.v 顶部的 ROM_FILE 改成 "saolei.hex"
```
**上板**：在 Vivado 里给综合/仿真**定义宏 `SAOLEI_ROM`**（Settings → Verilog Macros），
`cpu21_board_top.v` 就会加载 `cpu21_saolei_rom.vh`；不定义仍是原来的跑马灯程序。
接 VGA 显示器，按 `CPU_RESETN` 复位 → 出现开始界面（标题 + 绿色按钮 + 闪动光标框）。
**操作**（默认用板上 5 向按键）：
| 操作 | 按键 |
| ------------------------------------ | --------------------------------------- |
| 移动光标 | `BTNU` / `BTND` / `BTNL` / `BTNR` |
| 左键（揭开；在开始界面上 = 开始） | `BTNC` |
| 插旗模式（拨上去后左键 = 插/取消旗） | `SW0` 或 `SW3` |
| 返回上一层（关卡内） | 把光标移到盘面**左上角黄格**再按 `BTNC` |
**鼠标**：默认按键；想用真鼠标就把顶层参数 `USE_PS2_MOUSE` 设为 1（需要 Digilent
Pmod PS2 插在 JA + 一个 PS/2 鼠标）。`cpu21_ps2_mouse.v` 只实现了**接收**（发 0xF4
初始化要靠鼠标产生的时钟脉冲，不是固定延时能糊的，所以没写假的）；多数鼠标上电即上报，
需要 0xF4 的那种得自己补。USB 鼠标在这个核上不现实（协议栈放不下）。C 程序两种方式
完全不用改。
## 6. 验证状态（说实话）
| 部分 | 状态 |
| ------------------------------------------------------------------------------------ | ----------------------------------------------------------------- |
| C 工具链链路 | **已实测**：编译/链接/ISA 检查/hex 生成/入口地址逐条核对 全部通过 |
| `saolei.c` / `isr.c` / `start.c` / `linker.ld` | 逻辑对着 RTL 写；**未在仿真器/硬件上跑过** |
| `cpu21_mmio.v` 扩展、`cpu21_vga.v`、`cpu21_seg7.v`、`cpu21_pointer.v`、板级顶层、XDC | **未综合、未上板** |
建议验证顺序：① 跑 `pipelined-cpu/tools/run_regress.ps1` 确认原来的跑马灯/中断/指令
测试仍全 PASS；② 定义 `SAOLEI_ROM` 跑行为仿真，看有没有往 `0x2000` 起的显存写字节、
按键后有没有跳进 `0x200`；③ 再上板。
## 7. 已知可改进项
- **屏幕上没有字母**：字模是 4 位字形（0-15），所以"开始"是绿色按钮条 + 光标框而不是
"START" 字样。要显示文字就把格子编码扩成 5 位字形（`mmio.h` 的 `CELL()` 与
`cpu21_vga.v` 的字模表各改一处，颜色降到 3 位）。
- 棋盘固定 16×16、40 雷（16 是 2 的幂，索引全用移位，一次除法都不用）；要改大小就改
`saolei.c` 顶部的 `BW/BH/NMINES`。
- `run_regress.ps1` 里还没有扫雷的自动测试项。
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;
}
}
saolei/tools/build.ps1
+174
View File
@@ -0,0 +1,174 @@
# =============================================================================
# build.ps1 —— 扫雷程序一键构建：C -> 汇编/目标文件 -> ELF -> .hex + .vh
#
# 用法（在 saolei\ 目录下）：
# powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\build.ps1
# powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\build.ps1 -Prefix riscv64-unknown-elf-
#
# 产物（都在 saolei\build\ 下）：
# saolei.lst objdump -d 反汇编清单（这就是"编译出来的汇编"，可以直接看）
# saolei.elf 可执行文件
# saolei.bin 裸二进制
# saolei.hex $readmemh 格式：拷到 pipelined-cpu\srcs\rom\saolei.hex 就能
# 用现成的测试平台（tb_no_intr 等）仿真
# saolei.map 链接 map（看段地址和大小）
# 并且会生成 pipelined-cpu\srcs\board\cpu21_saolei_rom.vh —— 供 cpu21_board_top.v 用
# `include 固化进 ROM（在 Vivado 里定义宏 SAOLEI_ROM 即可切换到扫雷程序）
#
# 构建流程里有三道针对这颗 CPU 的关卡：
# 1) -fno-pic -mcmodel=medlow -mno-relax：避免 auipc / 链接器松弛
# 2) 链接脚本里的 ASSERT：禁止 .data / .rodata（这颗核读不到 ROM 里的数据）
# 3) tools\check_isa.py：逐条检查反汇编，凡是用到未实现指令（auipc/lb/lbu/div...）
# 直接报错并给出修复提示
# =============================================================================
param(
[string]$Prefix = "",
[int]$RomWords = 8192,
[switch]$SkipIsaCheck
)
$ErrorActionPreference = 'Stop'
$root = Split-Path -Parent $PSScriptRoot
$sw = Join-Path $root 'sw'
$build = Join-Path $root 'build'
New-Item -ItemType Directory -Force $build | Out-Null
# ---------------------------------------------------------------- 工具链探测
if (-not $Prefix) {
foreach ($cand in 'riscv-none-elf-', 'riscv64-unknown-elf-', 'riscv32-unknown-elf-',
'riscv-none-embed-', 'riscv64-linux-gnu-') {
if (Get-Command ($cand + 'gcc') -ErrorAction SilentlyContinue) { $Prefix = $cand; break }
}
}
if (-not $Prefix) {
Write-Output "ERROR: 找不到 RISC-V 交叉编译器（riscv*-gcc）。"
Write-Output ""
Write-Output "装一个即可（推荐 xPack 的 riscv-none-elf-gcc，解压就用，不用管理员权限）："
Write-Output " 1) 打开 https://github.com/xpack-dev-tools/riscv-none-elf-gcc-xpack/releases"
Write-Output " 2) 下载 win32-x64 的 .zip（例如 xpack-riscv-none-elf-gcc-14.2.0-3-win32-x64.zip）"
Write-Output " 3) 解压到例如 C:\tools\riscv-none-elf-gcc"
Write-Output " 4) 把 C:\tools\riscv-none-elf-gcc\bin 加进 PATH（或者直接运行本脚本时）："
Write-Output " powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\build.ps1 -Prefix 'C:\tools\riscv-none-elf-gcc\bin\riscv-none-elf-'"
exit 1
}
$GCC = $Prefix + 'gcc'
$OBJDUMP = $Prefix + 'objdump'
$OBJCOPY = $Prefix + 'objcopy'
$SIZE = $Prefix + 'size'
Write-Output "工具链前缀: $Prefix"
# ---------------------------------------------------------------- 编译参数
# -march=rv32im_zicsr : RV32I + M 扩展 + Zicsr（CSR 指令：csrrw/csrrsi/csrrci）。
# GCC 15 起不再默认给 rv32im 开 zicsr，中断入口里的
# csrrsi 必须显式打开这个扩展才认。
# -mcmodel=medlow -fno-pic : 用 lui/addi 绝对寻址，不产生 auipc
# **必须放开链接器松弛**（不要 -mno-relax）：gcc 的函数调用默认是
# auipc ra, %pcrel_hi(f) + jalr ra, ra, %pcrel_lo(f)
# 要靠链接器松弛把它变成一条 jal，否则 auipc 会留在最终代码里（这颗核没有）。
# 松弛只会在两种情况下改变指令：把 pcrel 调用变成 jal，或在使用 gp 相对寻址时
# 变成 gp 相对访问 —— 后者已被 -msmall-data-limit=0 从根上禁止。
# -msmall-data-limit=0 : 不用 gp 相对寻址
# -fno-builtin -nostdlib -ffreestanding : 不要 libc（没有环境，也没有 printf）
# -fno-jump-tables : 不生成跳转表（跳转表会落在 .rodata，这颗核读不到）
$ccCommon = @(
'-march=rv32im_zicsr', '-mabi=ilp32',
'-mcmodel=medlow',
'-fno-pic', '-fno-PIC', '-fno-pie',
'-msmall-data-limit=0', '-fno-common',
'-fno-builtin', '-fno-stack-protector', '-fno-jump-tables',
'-ffreestanding', '-nostdlib',
'-ffunction-sections', '-fdata-sections',
'-Os', '-Wall', '-Wextra'
)
# 中断主体（isr.c）必须只使用 callee-saved 寄存器，否则会破坏被打断的代码。
# 下面把所有"调用者保存"的通用寄存器都固定住，GCC 就只能用 s0-s11 和 sp。
$fixedRegs = @()
foreach ($r in 1, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 28, 29, 30, 31) {
$fixedRegs += ('-ffixed-x' + $r)
}
# ---------------------------------------------------------------- 编译
$objs = @()
# 跑外部命令并在非 0 退出码时立刻停下（native 命令失败不会抛异常，必须查 $LASTEXITCODE）
function Invoke-Tool {
param([string]$Exe, [string[]]$ArgList, [string]$What)
& $Exe @ArgList
if ($LASTEXITCODE -ne 0) {
Write-Output ("ERROR: 失败 -> " + $What)
exit 1
}
}
Write-Output "编译 start.c ..."
Invoke-Tool -Exe $GCC -ArgList ($ccCommon + @('-c', (Join-Path $sw 'start.c'), '-o', (Join-Path $build 'start.o'))) -What 'start.c'
$objs += (Join-Path $build 'start.o')
Write-Output "编译 saolei.c ..."
Invoke-Tool -Exe $GCC -ArgList ($ccCommon + @('-c', (Join-Path $sw 'saolei.c'), '-o', (Join-Path $build 'saolei.o'))) -What 'saolei.c'
$objs += (Join-Path $build 'saolei.o')
Write-Output "编译 isr.c（额外加 -ffixed 约束）..."
Invoke-Tool -Exe $GCC -ArgList ($ccCommon + $fixedRegs + @('-c', (Join-Path $sw 'isr.c'), '-o', (Join-Path $build 'isr.o'))) -What 'isr.c'
$objs += (Join-Path $build 'isr.o')
# ---------------------------------------------------------------- 链接
$elf = Join-Path $build 'saolei.elf'
$map = Join-Path $build 'saolei.map'
$ld = Join-Path $sw 'linker.ld'
Write-Output "链接 ..."
# 注意：PowerShell 会把未加引号的 "-Wl,--no-relax" 当成参数对解析（逗号引起），
# 所以这里统一用参数数组，所有选项都带引号。
$linkArgs = @(
'-march=rv32im_zicsr', '-mabi=ilp32', '-nostdlib', '-nostartfiles',
"-Wl,-Map=$map",
'-T', $ld, '-o', $elf
) + $objs
Invoke-Tool -Exe $GCC -ArgList $linkArgs -What '链接（-T sw/linker.ld）'
# ---------------------------------------------------------------- 反汇编 + ISA 检查
$lst = Join-Path $build 'saolei.lst'
& $OBJDUMP -d -M no-aliases $elf | Out-File -Encoding utf8 $lst
Write-Output "反汇编清单: $lst"
$isaOk = $true
if (-not $SkipIsaCheck) {
Write-Output ""
& py (Join-Path $PSScriptRoot 'check_isa.py') $lst
if ($LASTEXITCODE -ne 0) { $isaOk = $false }
}
# ---------------------------------------------------------------- 转 hex / vh
$bin = Join-Path $build 'saolei.bin'
$hex = Join-Path $build 'saolei.hex'
$vh = Join-Path $root '..\pipelined-cpu\srcs\board\cpu21_saolei_rom.vh'
& $OBJCOPY -O binary $elf $bin
& py (Join-Path $PSScriptRoot 'elf2hex.py') $bin $hex $RomWords $vh
# ---------------------------------------------------------------- 汇总
Write-Output ""
Write-Output "==== 段大小 ===="
& $SIZE $elf
$isrLine = Select-String -Path $lst -Pattern '^[0-9a-f]+ <(isr1_entry|isr2_entry|isr3_entry|_start)>:' |
Select-Object -ExpandProperty Line
Write-Output "==== 入口地址 ===="
foreach ($l in $isrLine) { Write-Output (" " + $l) }
Write-Output " 三个中断入口必须和顶层 cpu21_board_top 的参数一致："
Write-Output " linker.ld 的 .text.isr1/2/3 = IRQ1/2/3_VECTOR = 0x100/0x200/0x300"
Write-Output ""
if ($isaOk) {
Write-Output "构建完成：$hex 与 $vh 已生成。"
Write-Output " 仿真：把 saolei.hex 拷到 pipelined-cpu\srcs\rom\saolei.hex，用 tb_no_intr 加载"
Write-Output " 上板：cpu21_saolei_rom.vh 已生成到 srcs/board/，Vivado 里定义宏 SAOLEI_ROM 后综合"
} else {
Write-Output "构建完成，但 ISA 检查没通过（见上面的清单），这个 hex 放到 CPU 上会跑飞。"
exit 1
}
saolei/tools/check_isa.py
+113
View File
@@ -0,0 +1,113 @@
#!/usr/bin/env python3
"""check_isa.py —— 校验反汇编清单里没有这颗 CPU 未实现的指令。
用法: python tools/check_isa.py <objdump输出.txt>
为什么需要它：本 CPU（srcs/rtl/cpu21_riscv_decoder.v）只实现了 RV32I 的一个
子集，最容易踩的三个坑是：
* 没有 auipc -> 编译器一旦生成它，整段代码就废了（多为 PIC/rodata 引起）
* 没有 lb/lh/lbu/lhu -> 只要碰 char/short 类型的读就会出现
* 没有有符号 div/rem（只有 divu/remu） -> 有符号除法/取余会被静默算错
所以这里用"白名单"方式检查：出现名单外的助记符就报错并给出修复提示。
退出码 = 违规条数（>255 时截断），0 表示通过。
"""
import sys
# 这颗 CPU 真正实现了的指令（见 cpu21_riscv_decoder.v）
ALLOWED = {
# R 型
"add", "sub", "sll", "slt", "sltu", "xor", "srl", "sra", "or", "and",
# M 扩展（只有这几个）
"mul", "mulh", "mulhsu", "mulhu", "divu", "remu",
# I 型
"addi", "slti", "sltiu", "xori", "ori", "andi", "slli", "srli", "srai",
# 访存：只有 lw / sw / sb（没有 lb/lh/lbu/lhu/sh）
"lw", "sw", "sb",
# 控制流
"beq", "bne", "blt", "bge", "bltu", "bgeu", "jal", "jalr",
# 高位立即数
"lui",
# 系统
"ecall", "uret", "csrrw", "csrrsi", "csrrci",
}
# objdump 有时仍打印伪指令；这些展开后都是上面支持的指令
ALIAS_OK = {
"nop", "mv", "li", "j", "jr", "ret", "neg", "not",
"beqz", "bnez", "blez", "bgez", "bltz", "bgtz",
"seqz", "snez", "sltz", "sgtz",
}
# 违规时给出针对性提示
HINTS = {
"auipc": "出现了 auipc：说明编译带了 PIC/PIE 或访问了只读数据。"
"请用 -fno-pic -mcmodel=medlow，并去掉字符串/常量表（.rodata）",
"lb": "没有 lb：不要用 char/short 类型读内存，改用 32 位字",
"lh": "没有 lh：同上",
"lbu": "没有 lbu：不要用 unsigned char/short 类型读内存（写显存可以用 sb，但别读回来）",
"lhu": "没有 lhu：同上",
"sh": "没有 sh：只用 sw / sb",
"div": "没有有符号 div：改用 unsigned 运算（unsigned 除法会编成 divu）",
"rem": "没有有符号 rem：改用 unsigned 运算（unsigned 取余会编成 remu）",
"divw": "不支持 64 位运算",
"remw": "不支持 64 位运算",
"call": "call 会展开成 auipc+jalr：请直接用普通函数调用（jal）",
"tail": "tail 会展开成 auipc：请用普通跳转",
"fence": "没有 fence/fence.i",
"ebreak": "没有 ebreak",
"mret": "这颗核的中断返回是 uret，不是 mret",
"sret": "这颗核的中断返回是 uret",
"wfi": "没有 wfi：主循环只能用轮询",
"unimp": "出现了 unimp（非法指令/内联汇编占位）",
}
def main():
if len(sys.argv) < 2:
print("用法: python tools/check_isa.py <objdump输出.txt>")
return 2
path = sys.argv[1]
total = 0
violations = []
with open(path, encoding="utf-8", errors="replace") as f:
for line in f:
if "\t" not in line:
continue
parts = line.split("\t")
if len(parts) < 3 or not parts[0].strip().endswith(":"):
continue
mnemonic = parts[2].strip().split()[0]
if not mnemonic:
continue
total += 1
if (mnemonic not in ALLOWED) and (mnemonic not in ALIAS_OK):
violations.append((parts[0].strip(), mnemonic, line.rstrip()))
print("检查了 %d 条指令。" % total)
if not violations:
print("ISA 检查通过：全部指令都在本 CPU 的实现范围内。")
return 0
print("")
print("!! ISA 检查失败：有 %d 条指令这颗 CPU 没有实现：" % len(violations))
seen = set()
for addr, mnemonic, raw in violations[:40]:
print(" %s %s" % (addr, raw.strip()))
seen.add(mnemonic)
if len(violations) > 40:
print(" ...（只列出前 40 条）")
print("")
print("修复提示：")
for m in sorted(seen):
print(" * %s: %s" % (m, HINTS.get(m, "不在本 CPU 的指令白名单里")))
return min(len(violations), 255)
if __name__ == "__main__":
sys.exit(main())
saolei/tools/elf2hex.py
+66
View File
@@ -0,0 +1,66 @@
#!/usr/bin/env python3
"""elf2hex.py —— 把 objcopy 出来的裸二进制转成 ROM 需要的两份文件。
用法: python tools/elf2hex.py <input.bin> <output.hex> [ROM_WORDS] [output.vh]
产出：
1) <output.hex> 每行一个 32 位字（$readmemh 格式，供 srcs/rom/ 下的
测试平台加载，例如拷成 srcs/rom/saolei.hex）
2) <output.vh>（可选） rom[i] = 32'h...; 语句，供
pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v 里 `include
固化进片内 ROM（未用到的地址填 NOP 0x00000013）
（未用到的地址填 NOP 0x00000013）
字序：输入的 .bin 是按字节小端排列的机器码，这里按小端拼成 32 位字。
"""
import sys
NOP = 0x00000013
def main():
if len(sys.argv) < 3:
print("用法: python tools/elf2hex.py <input.bin> <output.hex> [ROM_WORDS] [output.vh]")
return 2
src = sys.argv[1]
dst = sys.argv[2]
words_total = int(sys.argv[3]) if len(sys.argv) > 3 else 8192
vh_path = sys.argv[4] if len(sys.argv) > 4 else None
with open(src, "rb") as f:
data = f.read()
if len(data) % 4 != 0:
print("警告：二进制长度 %d 不是 4 的倍数，尾部会被补 0" % len(data))
data += b"\x00" * (4 - len(data) % 4)
words = []
for i in range(0, len(data), 4):
words.append(int.from_bytes(data[i:i + 4], "little"))
if len(words) > words_total:
print("错误：程序 %d 个字，超过 ROM 容量 %d 个字（改大 ROM_WORDS 或精简程序）"
% (len(words), words_total))
return 1
with open(dst, "w", encoding="ascii") as f:
for w in words:
f.write("%08X\n" % w)
if vh_path:
with open(vh_path, "w", encoding="utf-8") as f:
f.write(" // 由 tools/elf2hex.py 生成，请勿手工编辑\n")
f.write(" // 源文件：%s（%d 个字，其余填 NOP）\n" % (src, len(words)))
for addr in range(words_total):
w = words[addr] if addr < len(words) else NOP
f.write(" rom[%d] = 32'h%08X;\n" % (addr, w))
print("已生成 %s（%d 个字）%s" % (dst, len(words),
("、%s（%d 个字，NOP 填充）" % (vh_path, words_total)) if vh_path else ""))
return 0
if __name__ == "__main__":
sys.exit(main())