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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compare: Anccend/risc-v-cpu:f7844b7b1c02c78a2a6ea7434ef9b4e8344e36f9
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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 .. f7844b7b1c
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Anccend f7844b7b1c feat(board): 中断综合测试程序上板 + 可变分频/刷新率；README 大幅扩写 
板级顶层（srcs/board/cpu21_board_top.v）
- ROM 增加 RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM 分支，中断入口 0x0AC/0x1E4/0x308；
  与 SAOLEI_ROM / BOARD_ROM_FAST / 默认跑马灯构成 ifdef 链
- 新增参数 CLK_DIV_INTRUPT：跑中断测试程序时用更慢的 CPU 时钟（默认 32
  = 3.125 MHz），让数码管上每个数值停留约 160 ms 便于观察
- 数码管扫描分频随 CPU 分频缩放（SEG_REFRESH_DIV = 100000/CPU_DIV），
  保证每位数码管仍是 125 Hz（不闪）；数码管改显示 MMIO 的 led_data；
  LED[2:0] 改为锁存式中断指示（请求上升沿点亮、对应 ISR 执行 uret 后熄灭）
- 复位同步器/led_we 指示等注释同步更新；srcs/rtl/cpu21_seg7.v 分频计数
  加宽到 20 位以容纳随主频变化的 REFRESH_DIV

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

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

验证：不带宏 / 带 RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM 两种配置 xvlog 编译均无错误；
三路嵌套与 IRQ3 抢占 ISR1 的仿真通过（level 逐级升降、uepc 正确恢复、
halted=0）；tools/check_rtl_text.ps1 体检 OK。
 2026-09-19 15:44:47 +08:00
Alpha 4f82331dbe docs(tcl): 说明只用 -part 建工程、不依赖 Nexys4DDR 板卡文件（附可选 -board_part 写法） 2026-09-18 16:32:30 +08:00
Alpha 189d028943 chore: 忽略根目录下批量运行 Vivado 产生的 vivado*.jou/log 2026-09-18 16:17:52 +08:00
Alpha 3512238965 fix(rtl): 修 cpu21_ps2_mouse 三处真 bug, 综合已通过 (0 errors / 0 critical warnings) 
- frame_q[8:1][3] 是 Verilog-2001 非法写法(part-select 再取位), 综合报
  [Synth 8-2599] range is not allowed in a prefix 与 [Synth 8-1008] frame_q is not a memory
  -> 改为 frame_q[4] (= 数据字节 frame_q[8:1] 的 bit3)
- dx/dy 互换: 事件里把 dy 当 dx 上报
- 鼠标按键位错位: {2'b0, pkt_q[2], pkt_q[1]} 丢掉左键
  -> {2'b0, pkt_q[2], pkt_q[1], pkt_q[0]} (对齐 cpu21_mmio / mmio.h: bit0=左键, bit1=右键, bit2=中键)
- tools/check_rtl_text.ps1: 修 tag 变量引用解析错、修块注释漏报、字符串中文误报
- create_project.tcl 头注: Vivado 版本改为 2020.2 (本机实测: 建工程 + 综合均通过)
 2026-09-18 16:16:53 +08:00
Alpha e4d58a3439 fix(saolei): 修复被编辑器覆盖的 board_top 端口行; 自检脚本支持 -Fix; tcl 默认定义 SAOLEI_ROM 
- cpu21_board_top.v: PS/2 例化里 .ev_valid_o 被一行 README 正文覆盖, 综合报
  [Synth 8-2715] non-printable character 0xe4 / syntax error near ...
- tools/check_rtl_text.ps1: 修掉块注释导致的漏报(board_top 就是被漏掉的那个);
  改为按 UTF-8 原始字节读写(保持中文/换行/BOM 不变); 整行正文可用 -Fix 自动删除
- create_project.tcl: 新增 use_saolei 开关并定义宏 SAOLEI_ROM (1=扫雷, 0=走马灯)
 2026-09-18 16:13:47 +08:00
Alpha df7b3aee6d fix(rtl): 清除被工具反复注入到 .v 末尾的 README 残行; 新增 RTL 文本自检脚本 
- cpu21_pointer.v / cpu21_ps2_mouse.v / cpu21_vga.v 末尾多出一行 README 正文
  (Tcl ...), 会导致 Vivado: ERROR: [Synth 8-2715] non-printable character 0xe4
- 新增 pipelined-cpu/tools/check_rtl_text.ps1: 综合前秒级自检, 检出代码位置上
  的非 ASCII 文本/粘贴进来的正文行
 2026-09-18 16:02:02 +08:00
Alpha 4e3525ffe2 fix(saolei): 修复被文本工具改坏的 RTL —— 这是综合失败的直接原因 
## 现象（Vivado 2020.2 综合日志）

`synth_design -top cpu21_board_top -part xc7a100tcsg324-1` 报 13 个
`ERROR: [Synth 8-2715] syntax error`，指向：
- `cpu21_pointer.v:106`、`cpu21_board_top.v:308`、`cpu21_vga.v:242`
  —— `non-printable character with the hex value '0xe4'`（UTF-8 中文字的首字节）
- `cpu21_board_top.v:139` —— `syntax error near "="`
- `cpu21_ps2_mouse.v:45 / 47 / 145` —— `0xe3`、`syntax error near "ta_s1"`
- `cpu21_board_rom.vh:3...` —— 一连串 `syntax error near "="`（前一处错误的级联）

## 根因

**不是 RTL 设计问题，是工作区文件被改坏**（编辑器/格式化类的文本改动把 README 的
片段插进了 Verilog 文件里）：

1. `cpu21_pointer.v`、`cpu21_vga.v`、`cpu21_ps2_mouse.v` 文件末尾被追加了一行
   来自 README 的 `Tcl 一键重建`（于是合成器在 `endmodule` 之后遇到中文字节）；
2. `cpu21_board_top.v` 里被插入了同样的残行，**顶掉了 VGA 例化的 `.vga_hs` 那一行**；
3. `cpu21_board_top.v` 的 ROM 段被吞掉一整块：
   `reg [31:0] rom [...]` / `integer i;` / `initial begin` 全部消失，
   只剩下 `for (i = 0; ...) rom[i] = ...;` —— 这也正是 `cpu21_board_rom.vh`
   里 `syntax error near "="` 的由来（`initial` 块没了，`rom[i]=...` 成了非法语句）；
4. `cpu21_ps2_mouse.v` 的 `reg ps2_clk_s1, ps2_clk_s2, ps2_data_s1, ps2_data_s2;`
   声明被拼进了 `assign ps2_data_oe_o = 1'b0` 里（变成
   `assign ps2_data_oe_o = 1'b02_data_s1, ps2_data_s2;`），注释残片
   `。本模块只接收，两条线都不驱动。` 夹在中间。

## 修复

- 删除 3 处 README 残行，恢复 `cpu21_board_top.v` 的 `.vga_hs` 端口连接；
- 补齐 `cpu21_board_top.v` ROM 段的 `reg/integer/initial begin`；
- 恢复 `cpu21_ps2_mouse.v` 被拼掉的 `reg` 声明，并整理开漏赋值的注释；
- 全量扫描 `srcs/**` 确认：无残留 README 文本碎片、`module/endmodule` 与
  `` `ifdef/`endif `` 配对正常、四个受损文件的关键结构与例化（ROM/RAM/CPU/VGA/
  数码管/按键、16 个字形表、PS2 状态机、按键去抖）均完整。

## 状态

- 本次只改 RTL 文本，未改任何逻辑/端口/地址。
- 本机没有 Vivado / xsim / iverilog，**无法在本地复验语法**，需要重新跑一次综合确认。
 2026-09-18 15:58:13 +08:00
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
29 changed files with 14249 additions and 1346 deletions
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.gitignore
+10 -1
View File
@@ -13,4 +13,13 @@ _vivado/
*.vcd
*.pb
*.hex.lst
.Xil/
.Xil/
# 在仓库根目录批量跑 Vivado 时产生的日志/命令记录（pipelined-cpu/ 下已被上面的规则忽略）
vivado*.jou
vivado*.log
vivado*.backup.jou
vivado*.backup.log
# saolei 的构建产物（tools/build.ps1 一键重建，不入库）
saolei/build/
README.md
+307 -42
View File
@@ -10,20 +10,35 @@
```text
risc-v/
├─ README.md 本文档
├─ 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
│ ├─ srcs/rtl/*.v 处理器 RTL（13 个文件，cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v 为顶层）
│ ├─ 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/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）；四份 ROM 初始化：
│ │ cpu21_board_rom.vh / _fast.vh（跑马灯）、risc-v-intrupt-ccab.vh
│ │ （课程中断综合测试程序）、cpu21_saolei_rom.vh（扫雷）
│ ├─ srcs/constrs/*.xdc 引脚与分频时钟约束（+ Nexys4DDR 母版）
│ ├─ srcs/tb/*.v 三个测试平台
│ ├─ srcs/rom/*.hex 测试平台加载的 ROM 镜像
│ ├─ tools/ rv_asm.py（迷你汇编器）、hex2vh.py（hex → ROM 初始化）、run_regress.ps1（一键回归）
│ ├─ programs/ 汇编源程序、期望值、课程原始资产（RARS）
│ └─ pipelined-cpu.xpr（+*.runs/…） 本机工程与生成物（不入库，可删）
├─ cpu21_riscv_redirect_int_bpb说明.md 本文档
└─ _tmp/、_vivado/ 本地临时目录（不入库）
│ ├─ tools/ rv_asm.py（迷你汇编器）、hex2vh.py（hex → ROM 初始化）、
│ │ adapt_intrupt_ccab.py（课程中断程序 → 上板 ROM）、
│ │ run_regress.ps1（一键回归）、check_rtl_text.ps1（RTL 文本体检）、
│ │ rars_f0c874c.jar（课程提供的 RARS 汇编器）
│ └─ programs/ 汇编源程序与期望值：跑马灯 demo、指令集/MMIO 测试、课程原始
│ 资产（risc-v-benchmark_ccab、真值表），以及中断综合测试程序
│ risc-v-intrupt-ccab.asm / .hex
└─ saolei/ 纯 C 扫雷（MMIO 显示 + 中断读鼠标），见下文
├─ sw/ C 源码 + 链接脚本（三个固定中断入口）
└─ tools/ build.ps1（C → ROM）、check_isa.py（指令白名单校验）
```
**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/`、
`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/`、
@@ -72,13 +87,22 @@ risc-v/
## 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，
顶层参数 `LED_ADDR`（默认 `0x0000_1000`）指定 LED 数据寄存器的地址。
该地址位于 4 KB 数据 RAM（`0x0000`–`0x0FFC`）之外，因此不会与 RAM 冲突。
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。
这些地址都在 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 |
| ------------- | -------------- | ---------------------------------------------------------------------------- | -------------------------- |
| `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 |
| 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_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，
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 +161,13 @@ 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_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_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/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_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/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/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） |
@@ -151,26 +180,112 @@ risc-v/
在 xsim 下对拆分前后逐周期对比，波形输出与最终统计（周期、停顿、气泡、分支
跳转、预测成败）完全一致。
## 各模块的实现方式
下面按“处理器流水线 → 外设 → 板级”的顺序说明每个模块的实现要点（对应上面
“文件与模块划分”表）。全部是可综合的纯 RTL，没有例化 Xilinx 原语，
因此 `xvlog`/`xelab` 可以直接仿真。
### 流水线主体
- **`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`（顶层）**：五级寄存器 IF/ID、ID/EX、EX/MEM、
MEM/WB 各自带 valid 位；下一个 PC 由一个多路选择器决定（复位 `RESET_PC`、
顺序 PC+4、分支/跳转重定向目标、`URET` 返回地址、中断入口）。停顿与冲刷分别
由 hazard unit 的 `pipeline_stall_o`、`flush_younger_o` 控制：停顿时冻结
PC/IF-ID 并给 ID/EX 插气泡；冲刷时只把年轻指令的 valid 清零，所以已经提交的
存储/寄存器写不会被执行两次。
- **`cpu21_riscv_alu`**：纯组合，4 位 `alu_op` 直接选择加减/逻辑/移位/比较；
减法用“B 取反加 1”实现，比较分有符号/无符号两条路径。乘除法不在 ALU 里
（历史上的组合 `a*b`/`a%b` 是关键路径，已拆到多周期单元）。
- **`cpu21_riscv_muldiv`**：32 拍移位迭代（乘法 shift-add、除法 restoring），
加装载与定型共占用 EX **34 拍**；期间 `ex_md_stall` 有效 → 保持 ID/EX、给
EX/MEM 插气泡、冻结取指、屏蔽中断（见“时序和使用说明”第 7 条）。接口沿用
ALU 约定：`result_o` 是低位/商、`result2_o` 是高位/余数；除零时商全 1、
余数取被除数。
- **`cpu21_riscv_decoder`**：ID 级组合译码，操作码取 `IR[6:2]`，`funct3`/
`funct7`/`IR[21]` 区分 R 型细分、M 扩展、CSR 与 `ecall`/`URET`；输出一组
控制位（`alu_op`、`alu_src`、立即数、`reg_write`、访存使能、`wb_sel`、
分支/跳转、CSR 操作、`md_op`）。
- **`cpu21_riscv_regfile`**：32×32 寄存器堆，`x0` 恒 0；两个组合读口 + 一个写口，
同周期 WB 的数据通过“写优先旁路”直送到读口，省掉一拍。
- **`cpu21_riscv_forward_unit`**：EX 级前递，把 EX/MEM 与 MEM/WB 的结果和 ID/EX
的 `rs1/rs2` 比较，EX/MEM 优先；EX/MEM 是 load 时不参与前递（load 结果要
到 MEM 才有效，改由 hazard unit 停顿一拍）；store 的数据同样可以前递。
- **`cpu21_riscv_store_unit`**：EX 级数据对齐，`sw` 产生四个字节通道、`sb` 按
`addr[1:0]` 只打开一个通道，并把数据搬到对应字节位置，输出 `data_wstrb_o`。
- **`cpu21_riscv_branch_unit`**：EX 级裁决分支方向与目标：6 条条件分支各用有
符号/无符号比较，`jal`/`jalr` 总是重定向，并把 `PC+4` 写回 `rd`（链接地址
在 EX 级预先算好放进 EX/MEM，避免在写回/前递路径上再加一个加法器）。
- **`cpu21_riscv_hazard_unit`**：load-use 冒险（ID/EX 是 load 且和 ID 级要用的
寄存器相同）插一个气泡；`flush_younger` 的优先级高于停顿：中断、`URET`、
`ecall` 停机、分支/跳转重定向都会丢弃年轻指令，此时不再插气泡。
- **`cpu21_riscv_irq_ctrl`**：`irq_i` 先打两拍同步，再与“上一拍”比较取出
**上升沿**（挂起位锁存），优先级 IRQ3 > IRQ2 > IRQ1；响应条件是“有挂起 +
`ustatus[0]`(MIE) + 嵌套深度 < 4 + 未停机 + EX 级没有重定向/停机”。
`ustatus`(0x004) 与 `uepc`(0x041) 用组合逻辑实现 CSRRS/CSRRC/CSRRW 三种读写
语义（旧值回写 `rd`）；嵌套栈保存 EPC / `ustatus` / 上一层优先级，`URET` 时
逐层恢复。响应时保存“下一条尚未执行的指令的 PC”，EX 是已正确预测的跳转
分支则保存实际目标，避免 `URET` 重复执行已提交的操作。
- **`cpu21_riscv_perf_counters`**：周期、停顿、气泡、条件分支、无条件跳转、
预测成功/失败六个计数器；`halted_o` 期间不计周期；load-use 记 1 个气泡，
重定向/中断清空记 2 个气泡。
### 外设
- **`cpu21_mmio`**：MEM 级译码；先用**字对齐**地址比较命中哪个寄存器（这样
`sb` 写到 `0x1001` 也能命中 LED 寄存器），再用 `data_wstrb_o` 决定改哪几个
字节；命中时给出 `rdata_hit_o`，顶层据此在 RAM 与 MMIO 之间选择读数据。
内部包含 LED/数码管寄存器、鼠标寄存器组（含 16 深事件 FIFO 与 `mouse_irq_o`）、
显示控制器、显存窗口，以及用于自检的 `MAGIC` 常量。
- **`cpu21_vga`**：工作在 CPU 时钟下，用 `tick`（每 2 拍一个使能）产生 25 MHz
像素节拍（**不引入第二个时钟域**）；按 640×480@60 的行场计数产生同步信号，
并按“格子”寻址显存：一个显存字对应 4 个像素，8×8 字模放大 2 倍填满 16×16
的格子（40×30 格），帧末产生 `frame_tick_o`。
- **`cpu21_seg7`**：8 位动态扫描。计数到 `REFRESH_DIV` 换一位（默认 50 MHz 下
50000 → 每步 1 ms，每位数码管 125 Hz 刷新）；十六进制→七段码用查表；共阳极
所以位选/段选都取反输出，`an_en_i` 可以把某几位熄灭。
- **`cpu21_pointer`**：把 5 向按键变成鼠标事件。用约 1 ms 的采样节拍对两级同步
后的按键采样，只在“按下”边沿产生事件；一次采样可能同时按下多个键，用待发
队列 + 优先级选择器逐个上报（每拍最多一个事件，不丢键）。事件单位是 1/8 格，
软件端只用整数加减就能换算成格（不需要除法）。
- **`cpu21_ps2_mouse`**：可选的真鼠标，只实现接收：`ps2_clk` 下降沿把 11 位帧
移位进来（起始位 + 8 数据 + 奇校验 + 停止位），校验后按 3 字节包解析出
dx/dy/按键，产生 `ev_valid_o` 脉冲。
### 板级
- **`cpu21_board_top`**：把这些接起来并裁到 23 个引脚。内含参数化分频器
（`CLK_DIV` / `CLK_DIV_INTRUPT`）、复位同步器（异步置位 + 同步释放）、片内
ROM（组合读、`nop` 填充、`ifdef` 链选程序）与 RAM（字节写使能 + 组合读、
只响应 4 KB 以内地址，避免和 MMIO 别名）、显存双口 RAM（CPU 写口 + VGA 读口
同处一个时钟域，用像素使能而不是第二时钟）、数码管、VGA、鼠标源选择
（`USE_PS2_MOUSE`）、中断连线（SW0/1/2 分别与鼠标事件/关卡软件中断相或）、
锁存式中断指示 LED（请求上升沿置位、对应级别的 ISR 执行 `uret` 后熄灭）和
`led_we` 写入指示。
## 上板（Nexys4DDR + Vivado）
处理器顶层 `cpu21_riscv_redirect_int_bpb` 有 775 位调试端口（各级 PC/IR、计数器、
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，
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；当前
`create_project.tcl` 默认定义的是 `RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM`（跑课程的
中断综合测试程序），宏的含义、优先级和改法见下文“内置程序与宏的用法”。
### 引脚分配（`cpu21_board_top.xdc`）
| 端口 | 引脚 | 板上元件 | 说明 |
| ------------- | ----------- | ------------------------- | ---------------------------------------------- |
| `clk100` | E3 | 100 MHz 晶振 | 经`CLK_DIV` 分频后给 CPU |
| `rst_n` | C12 | 按键 CPU_RESETN（低有效） | 异步置位、与 CPU 时钟同步释放 |
| `go` | N17 | 按键 BTNC | 对应原电路“继续运行”（`ecall` 停机后恢复执行） |
| `irq_sw[2:0]` | J15/L16/M13 | 拨码开关 SW0–SW2 | 三路中断源，拨动即触发（内部同步并锁存） |
| `led[15:0]` | H17…V11 | LED0–LED15 | MMIO（`LED_ADDR`）写入值的低 16 位 |
| `led_we` | R12 | LED16_B | MMIO 写入指示，每写一次拉长约 2.7 s |
| 端口 | 引脚 | 板上元件 | 说明 |
| ------------- | ----------- | ------------------------- | ------------------------------------------------------------------- |
| `clk100` | E3 | 100 MHz 晶振 | 经 `CPU_DIV` 分频后给 CPU（默认 50 MHz） |
| `rst_n` | C12 | 按键 CPU_RESETN（低有效） | 异步置位、与 CPU 时钟同步释放 |
| `go` | N17 | 按键 BTNC | 对应原电路“继续运行”（`ecall` 停机后恢复执行） |
| `irq_sw[2:0]` | J15/L16/M13 | 拨码开关 SW0–SW2 | 三路中断源，拨动即触发（内部同步并锁存） |
| `led[15:0]` | H17…V11 | LED0–LED15 | `LED[2:0]` = 三路中断指示（锁存，ISR 返回后熄灭），`LED[15:3]` 熄灭 |
| `led_we` | R12 | LED16_B | MMIO 写入指示，每写一次拉长约 0.34 s @50 MHz |
### 时钟：为什么还保留 2 分频
### 时钟：分频比怎么选（`CLK_DIV` / `CLK_DIV_INTRUPT`）
乘除法原本是 ALU 里的组合运算（`a*b`、`a%b`），实测关键路径约 94 ns（325 级逻辑、
286 个 CARRY4），在 100 MHz 下必然不收敛，所以之前只能把时钟 16 分频到 6.25 MHz。
@@ -198,19 +313,135 @@ create_generated_clock -name cpu_clk -source [get_ports { clk100 }] \
-divide_by 2 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
```
改分频比时 RTL 的 `CLK_DIV` 与 XDC 的 `-divide_by` 要同时改。
改分频比时：**变慢**（分频比变大）不用动 XDC；**变快**（分频比小于 2）就要把 XDC 的
`-divide_by` 一起改小，否则约束会比实际时钟松、可能掩盖违例。
### 中断测试程序为什么还要再慢一档
标着 `RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM` 的课程中断综合测试程序里，两次显示之间的延时常量
是按 50 MHz 写的：50 MHz 下每个数值只停留约 10 ms，动态扫描的数码管上根本读不
出来。所以顶层在跑这个程序时改用**另一个分频比参数 `CLK_DIV_INTRUPT`**：停留时间
与分频比成正比：取 8 → 12.5 MHz（约 40 ms/值）、取 32 → 3.125 MHz（约 160 ms/值）——
当前默认 32，在 `cpu21_board_top.v` 里改。这个分频比只在定义了
`RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM` 时生效，其它程序仍用 `CLK_DIV`。
### 分频与刷新率一览（想改速度看这里）
| 想改什么 | 改哪里 | 当前值 / 换算 |
| -------------------------- | ----------------------------------------------- | -------------------------------------------------------- |
| CPU 主频（程序快慢） | 参数 `CLK_DIV` | 2 → 50 MHz（`100 MHz / CLK_DIV`） |
| 中断程序的 CPU 主频 | 参数 `CLK_DIV_INTRUPT`（只在该 ROM 宏下生效） | 32 → 3.125 MHz；每个数值约 10 ms × (`CLK_DIV_INTRUPT`/2) |
| 数码管扫描刷新率 | 顶层 `SEG_REFRESH_DIV`（自动跟随 `CPU_DIV`） | `100000 / CPU_DIV` → 每步 1 ms、每位 125 Hz |
| LED16_B 写入指示点亮时长 | `led_we_cnt` 的装载值 `24'hFF_FFFF` | 约 0.34 s @50 MHz（`0xFFFFFF / f_cpu`） |
| 中断程序每个数值的停留时间 | `tools/adapt_intrupt_ccab.py` 的 `DELAY_NEG_HI` | `0xFFFC0` → 约 10 ms @50 MHz |
- **数码管**：`SEG_REFRESH_DIV = 100000 / CPU_DIV` 保证“每步 1 ms、每位数码管
125 Hz”与主频无关（不这样缩放的话，主频降 4 倍时全屏刷新只剩 31 Hz，能看到
闪烁）。想更亮可以把它改小（扫描更快），但每位刷新率要远高于 50 Hz。
`cpu21_seg7` 的分频计数是 20 位，最大约 100 万，所以 100 MHz（不分频）也放得下。
- **慢下来的副作用**：`cpu21_pointer` 的按键采样节拍（`SAMPLE_DIV = 50000`）也会
跟着变慢（3.125 MHz 下约 16 ms 采样一次，仍在可接受范围）；`cpu21_vga` 的
25 MHz 像素节拍是从 CPU 时钟分频出来的，主频一降 VGA 行场时序就超出规范
（中断测试程序不用 VGA，无影响）。
- **XDC 不用跟着改（只要不是变快）**：`cpu_clk` 固定按最坏情况 `-divide_by 2`
（50 MHz）约束，实际时钟更慢属于“约束偏严”，不会掩盖违例；只有把分频比改到
比 2 更小（更快）时，才需要同步改小 XDC 的 `-divide_by`。
### 片内 ROM / RAM
- ROM：`ROM_WORDS = 1024` 字（4 KB），组合读，取指地址 `instr_addr[11:2]`；
内容由 `` `include "cpu21_board_rom.vh" `` 给出（与 `cpu21_board_top.v` 同目录，
文件里是 1024 条
`rom[i] = 32'h…;`，放在 `initial` 里，等价于 `$readmemh`，且不依赖文件路径）。
- ROM：`ROM_WORDS = 8192` 字（32 KB），组合读，取指地址 `instr_addr[ROM_AW+1:2]`；
内容由 `` `include `` 一个 ROM 初始化文件给出（与 `cpu21_board_top.v` 同目录，
文件里是 `rom[i] = 32'h…;` 语句，放在 `initial` 里，等价于 `$readmemh`，
且不依赖仿真工作目录）。具体包含哪份由宏决定（见下文“内置程序与宏的用法”）。
超出镜像长度的地址填 `nop`（`32'h0000_0013`），所以跳飞时不会执行到随机指令。
- RAM：`RAM_WORDS = 1024` 字（4 KB），字节写使能 + 组合读，只响应
`data_addr < 4 KB`，因此 MMIO 地址（默认 `0x1000`）不会落进 RAM。
- 两个 `initial` 块都用 NOP（`32'h0000_0013`）或 0 预填充，ROM 未使用区域是 NOP，
这样即使程序跑飞也不会执行到随机指令而乱写寄存器。
### 内置程序与宏的用法
板级顶层用一条 `` `ifdef `` 链决定 ROM 里固化哪个程序（连带决定中断入口地址），
`create_project.tcl` 里的两个开关就是给这条链用的：
| 宏（`sources_1` 的 Verilog Define） | ROM 文件 | 中断入口 `IRQ1/2/3` | 说明 |
| ----------------------------------- | ------------------------------------ | --------------------------- | ------------------------------------------ |
| `SAOLEI_ROM`（优先级最高） | `srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh` | `0x100` / `0x200` / `0x300` | 纯 C 扫雷（`saolei/tools/build.ps1` 生成） |
| `RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM` | `srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh` | `0x0AC` / `0x1E4` / `0x308` | 课程中断综合测试程序（当前默认） |
| `BOARD_ROM_FAST` | `srcs/board/cpu21_board_rom_fast.vh` | `0x100` / `0x200` / `0x300` | 仿真专用：跑马灯延时改小（综合不用） |
| 都不定义 | `srcs/board/cpu21_board_rom.vh` | `0x100` / `0x200` / `0x300` | 上板跑马灯 demo（默认） |
同一时间只应定义一个（`ifdef` 链按上表顺序取第一个命中的）。**中断入口必须和
ROM 里 ISR 的起点一致**，所以换程序时宏与入口是一起换的：`cpu21_board_top.v`
里 `.IRQ1/2/3_VECTOR` 也跟着 `RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM` 分支走。
#### 怎么定义宏
1. **Vivado GUI**：`Project` → `Settings` → `Synthesis` → `Verilog Options` →
`Verilog Macros` 里填 `RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM`（只对 `sources_1` 有效），
确定后 `Reset Synthesis Run` 再综合。也可以直接在 Tcl Console 里写：
```tcl
set_property verilog_define {RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM} [get_filesets sources_1]
reset_run synth_1
launch_runs synth_1
wait_on_run synth_1
```
换回跑马灯就是 `set_property verilog_define {} [get_filesets sources_1]`。
2. **一键重建**：改 `create_project.tcl` 里的 `use_intrupt_ccab` / `use_saolei`
两个开关（同一时间只开一个），重新 `source create_project.tcl`。
3. **命令行仿真**：`xvlog` 与 `xelab` 都要带同一个 `-d`，并用 `-i` 指向头文件目录：
```powershell
xvlog -d RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM -i srcs/board `
srcs/rtl/*.v srcs/board/cpu21_board_top.v 你的tb.v
xelab -top 你的tb -snapshot s -d RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM
```
4. **注意**：这些宏只影响“综合用”的 `sources_1`。跑 `tb_no_intr` /
`tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb` 时，程序来自测试平台自己探测的
`srcs/rom/*.hex`，与宏无关。
#### 中断综合测试程序的适配（`tools/adapt_intrupt_ccab.py`）
课程给的 `programs/risc-v-intrupt-ccab.hex` 不能直接上板，脚本把它适配成
`srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh`，且**不移动任何指令地址**（三个中断入口
仍是 `0x0AC` / `0x1E4` / `0x308`）：
```powershell
python tools/adapt_intrupt_ccab.py programs/risc-v-intrupt-ccab.hex `
srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh _tmp/fast.hex _tmp/plain.hex
```
六处适配（脚本内每步都有断言，输入不对会直接报错）：
1. 三个 ISR 里的 `addi a7,zero,10` + `ecall` → 两条 `nop`（`a7 != 34` 的
`ecall` 会让这颗 CPU 停机等 `go_i`）；
2. 11 个显示点 `lui a7,1` + `sw a0,0(a7)` → `jal` 调用追加的显示例程；
顺带纠正早期手改留下的 `sb` 误码（只写低字节会显示错值）；
3. 追加主程序用的 `DISP_DLY`（0x438）：写 LED 寄存器（数码管显示它）+ 约 10 ms
延时；返回地址存在 `sp+256`，位于 ISR 压栈区（最多 192 B）之上，所以中断
随时打断延时也不会破坏它；
4. 修正 ISR2/ISR3 出栈顺序写乱的 12 条 `lw`（否则 ISR2 的循环计数会变成
-3823，看起来像“二级中断返回之后卡住”）；
5. ISR3 的 SB 测试改用 ISR3 自己保存的 `s4/s5/s6`（原来用未保存的 `t1/t3/s2`，
抢占 ISR1 时会毁掉 ISR1 的 DIVU 循环计数，造成死循环）；
6. 追加 ISR 专用的 `DISP_DLY_ISR`（0x458）：**链接寄存器改用 `a0`、显示值走
`a7`**（这两个寄存器三个 ISR 都保存/恢复），于是 ISR 完全不碰 `ra`。否则
中断若恰好落在主程序 `DISP_DLY` 末尾的 `jalr` 上，返回会跳进 ISR 代码、
最后执行到 ISR 结尾的 `csrrci` 把 MIE 清零（“跑一阵子之后拨开关不再响应”）；
第 3 个参数生成“延时极小”的仿真版，便于在 xsim 里跑完整流程；第 4 个参数生成
只去掉停机 `ecall`、显示仍是 `lui`+`sw` 的“原样”版本，用于对比。
适配后的 ROM 在仿真里验证控制流很简单：用 `-d RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM` 编译
`srcs/rtl/*.v` + `srcs/board/cpu21_board_top.v` 加一个自建的 tb（或直接用
`srcs/tb/tb_board_top.v` 看 LED），观察 `irq_current_level_o`（0→1→2→3→…→0）、
`uepc_o`、`halted_o` 是否依次回到 0，以及 `LED[2:0]` 是否随嵌套逐层点亮/熄灭。
建议用第 3 个参数生成的快版 ROM（否则一次中断就是几十毫秒仿真时间）。
### 演示程序的生成与仿真
```powershell
@@ -255,8 +486,9 @@ Vivado 工程 `pipelined-cpu/pipelined-cpu.xpr` 被 `.gitignore` 排除，需要
1. `sources_1` 顶层设为 `cpu21_board_top`（纯 RTL 仿真时也可切回
`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`）；
2. 加入 `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v`、`pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc`，
`pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh` 的文件类型设成 `Verilog Header`（不能当普通源码，
否则会被当成顶层候选）；
四份 ROM 初始化文件（`cpu21_board_rom.vh`、`cpu21_board_rom_fast.vh`、
`risc-v-intrupt-ccab.vh`、`cpu21_saolei_rom.vh`）的文件类型都设成 `Verilog Header`
（不能当普通源码，否则会被当成顶层候选）；
3. 三个 testbench 放在**仿真 fileset**（`sim_1` 顶层 `tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb`、
`sim_2` 顶层 `tb_no_intr`），不参与综合，因此不会再出现“testbench 被当成顶层”
导致的 `[Place 30-494] The design is empty`。
@@ -274,8 +506,41 @@ Vivado 工程 `pipelined-cpu/pipelined-cpu.xpr` 被 `.gitignore` 排除，需要
CPU 时钟 6.25 MHz → 50 MHz（快 8 倍），并且乘除法不再位于关键路径上。
上板操作：用 Vivado 打开工程 → `Open Hardware Manager` → `Program Device`，选上述
`.bit`。复位后跑马灯立即从 `0001` 开始逐位左移（演示程序不执行 `ecall`，所以不用
按 `go`；`go` 只对执行了 `ecall` 停机、等待继续运行的程序有意义），LED16_B 每次写入时点亮。
`.bit`。复位后先跑 `sources_1` 里宏选中的那个程序。以跑马灯为例：复位后立即从
`0001` 开始逐位左移（演示程序不执行 `ecall`，所以不用按 `go`；`go` 只对执行了
`ecall` 停机、等待继续运行的程序有意义），LED16_B 每次写入时点亮。
#### 跑中断综合测试程序时的现象
（`create_project.tcl` 默认就是它，无需额外设置）
- 复位后主程序先跑自己的指令测试，数码管上显示程序写进 `LED_ADDR` 的 32 位十六进制值
（低 4 位在最右边那个数码管）；
- 拨动 **SW0 / SW1 / SW2**（J15/L16/M13）就对应 1/2/3 号中断：数码管随即切成该 ISR 的
显示内容（SB 读写测试、DIVU 测试、多层循环等），每个数值停留约 160 ms（3.125 MHz 下）；
- `LED[2:0]` 是**锁存**的中断指示：从该路中断请求出现开始亮，一直到它的 ISR 执行完
`uret` 返回才熄灭。抢占（例如 ISR1 还没跑完就拨 SW2）不会把外层的灯灭掉，一级
一级返回时才依次熄灭，正好能看出嵌套层次；
- LED16_B 每次 MMIO 写入内一下；程序里若有 `ecall a7 != 34` 的停机点，会停在原地等
按 **BTNC**（`go`）继续；
- 想重新开始随时按 **CPU_RESETN**（`rst_n`）；想让它更快/更慢就改 `CLK_DIV_INTRUPT`
（见上文“分频与刷新率一览”）。
## 扫雷程序（`saolei/`）
`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
@@ -298,12 +563,12 @@ powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\run_regress.ps1
期望结果（2026-09，多周期乘除法 + `CLK_DIV=2`）：
| 测试 | 期望 |
| ---- | ---- |
| 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_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 |
| 测试 | 期望 |
| -------------------------------------------------- | ---------------------------------------------------------------------------- |
| 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_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 |
## 工程分享（Tcl 一键重建）
@@ -313,8 +578,8 @@ powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\run_regress.ps1
```text
pipelined-cpu/
├─ create_project.tcl 一键重建脚本（用 [info script] 定位自身目录）
├─ srcs/rtl/*.v 处理器 RTL（13 个文件）
├─ srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层、片内 ROM 初始化（含 __FAST 仿真版本）
├─ srcs/rtl/*.v 处理器与外设 RTL（17 个文件）
├─ srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层、四份 ROM 初始化（跑马灯/中断测试/扫雷/仿真快版）
├─ srcs/constrs/*.xdc 引脚约束 + 板级母版
├─ srcs/tb/*.v 三个测试平台
├─ srcs/rom/*.hex 测试平台加载的 ROM 镜像
pipelined-cpu/create_project.tcl
+52 -1
View File
@@ -1,6 +1,6 @@
# ============================================================================
# cpu21-riscv 流水线 CPU —— 一键重建 Vivado 工程
# FPGA：Nexys4DDR / xc7a100tcsg324-1（Vivado 2025.2 实测通过）
# FPGA：Nexys4DDR / xc7a100tcsg324-1（Vivado 2020.2 实测：建工程 + 综合均通过）
#
# 目录结构（本脚本所在目录就是工程目录）：
# create_project.tcl 本脚本
@@ -54,6 +54,13 @@ if {[file exists "$origin_dir/$proj_name.xpr"]} {
}
# ---------------------------------------------------------------- 建工程
# 只用 -part 建工程，**不依赖"板卡文件"**：Vivado 默认不带 Nexys4DDR 的 board 文件，
# 所以 GUI 新建向导的 Boards 页里找不到它；board 只影响"选板/板级预设"，
# 不影响综合与实现（引脚全在 srcs/constrs/*.xdc 里显式约束）。
# 若以后装了 Digilent 板卡文件（data/boards/board_files/nexys4-ddr），想按板卡建：
# create_project $proj_name $origin_dir -part $part_name \
# -board_part digilentinc.com:nexys4ddr:part0:1.1
# （那样工程会记上板卡，别人没装板卡文件就打不开了，所以默认不这么写。）
create_project $proj_name $origin_dir -part $part_name
# 设计源文件：处理器 RTL + 板级顶层 + 片内 ROM 初始化
@@ -64,6 +71,42 @@ add_files -norecurse -fileset sources_1 [list \
set_property file_type {Verilog Header} \
[get_files "$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_rom.vh"]
# 默认跑哪个内置程序：中断测试程序优先，其次是扫雷，最后是走马灯 demo。
# 修改下面两个开关即可切换板上程序；同一时间只应启用一个。
set use_intrupt_ccab 1
set use_saolei 0
# 中断测试程序的 ROM 初始化。
set intrupt_ccab_rom "$origin_dir/srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh"
if {[file exists $intrupt_ccab_rom]} {
add_files -norecurse -fileset sources_1 [list $intrupt_ccab_rom]
set_property file_type {Verilog Header} [get_files $intrupt_ccab_rom]
} else {
puts "NOTE: 还没有 $intrupt_ccab_rom"
}
# 扫雷程序的 ROM 初始化（由 saolei/tools/build.ps1 生成，可能还不存在）。
# 综合/仿真时定义宏 SAOLEI_ROM 就会用它替换上面的跑马灯 ROM。
set saolei_rom "$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 $saolei_rom —— 需要先跑 saolei/tools/build.ps1 生成"
}
# 关键：sources_1 定义 SAOLEI_ROM，cpu21_board_top.v 里的 `ifdef 链才会用扫雷 ROM
# （该宏只影响综合用的 sources_1，仿真 fileset 仍各自用 tb 自带的 ROM）
if {$use_intrupt_ccab && [file exists $intrupt_ccab_rom]} {
set_property verilog_define {RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM} [get_filesets sources_1]
puts "NOTE: sources_1 已定义 RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM —— 上板跑 risc-v-intrupt-ccab"
} elseif {$use_saolei && [file exists $saolei_rom]} {
set_property verilog_define {SAOLEI_ROM} [get_filesets sources_1]
puts "NOTE: sources_1 已定义 SAOLEI_ROM —— 上板跑扫雷；想跑走马灯把本脚本里 use_saolei 改成 0"
} else {
puts "NOTE: 未定义 SAOLEI_ROM —— 上板跑走马灯 demo"
}
# 约束（cpu21_board_top.xdc 是引脚与分频时钟约束）
add_files -norecurse -fileset constrs_1 [glob "$origin_dir/srcs/constrs/*.xdc"]
@@ -99,6 +142,14 @@ foreach fs {sim_1 sim_2} {
# ---------------------------------------------------------------- 结果汇总
puts "工程已创建：$origin_dir/$proj_name.xpr"
puts " sources_1 顶层 = cpu21_board_top（上板：时钟分频 + 片内 ROM/RAM + 引脚）"
if {$use_intrupt_ccab && [file exists $intrupt_ccab_rom]} {
set selected_program {risc-v-intrupt-ccab (RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM)}
} elseif {$use_saolei && [file exists $saolei_rom]} {
set selected_program {扫雷 (SAOLEI_ROM)}
} else {
set selected_program {走马灯 demo}
}
puts " sources_1 程序 = $selected_program"
puts " sim_1 顶层 = tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb（中断/分支预测）"
puts " sim_2 顶层 = tb_no_intr（指令集测试，ROM 镜像在 srcs/rom/）"
puts " 下一步：Run Synthesis → Run Implementation → Generate Bitstream，或 Run Simulation"
pipelined-cpu/programs/risc-v-intrupt-ccab.asm
+498
View File
@@ -0,0 +1,498 @@
# =============================================================================
# 注意：上板/仿真真正使用的镜像是 programs/risc-v-intrupt-ccab.hex（270 字），
# 本文件是课程原始清单。由 tools/adapt_intrupt_ccab.py 生成 ROM 时会做六处适配：
# 1) 三个 ISR 里的 "addi a7,zero,10 + ecall" 会让这颗 CPU 停机（a7 != 34 的
# ecall 是"停机等 go_i"的约定），中断服务程序跑到那里就卡住、后面的中断显示
# 循环永远不执行 -> ROM 里换成两条空操作；
# 2) 原来的 "addi a7,zero,34 + ecall" 显示改成写 MMIO 的 LED 寄存器（0x1000），
# 并且每个显示点都改为调用 DISP_DLY 加约 10 ms 延时 —— 否则 50 MHz 下刷新
# 太快，数码管的动态扫描根本分辨不出来，只会看到一片亮；
# 3) DISP_DLY 追加在程序末尾（0x438），因此所有指令地址、特别是三个中断入口
# 0x0AC / 0x1E4 / 0x308 都保持不变；
# 4) **hex 里 ISR2 / ISR3 的现场恢复（出栈）顺序被写乱了**（本清单是正确的，
# ISR1 的 hex 也是正确的）。ISR3 把 s1 从 s3 的槽位弹出，于是 s1 被写成
# s3 保存的 0xFFFFF111；ISR3 返回后，正在跑 BLT 测试的 ISR2 的循环计数 s1
# 就变成 -3823，循环要跑约 170 万周期才退出，表现就是"二级/三级中断返回
# 之后卡住"；ISR2 的 s0/s2/a0/a7/s1/t3/t1 也全部错位。适配脚本按本清单的
# 正确 LIFO 顺序改回 12 条 lw 的目标寄存器（字数不变、地址不动）。
# 5) **ISR3 的 SB 测试用了它自己没有保存的寄存器**（t1 当地址、t3 当计数、
# s2 当增量）。ISR3 的现场只保存了 s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6/uepc，所以：
# 若 IRQ3 直接抢占正在跑 DIVU 测试的 ISR1（ISR1 用 t3 递减计数），ISR1 的
# 计数会被改掉；ISR1 恢复后 `addi t3,t3,-1` 得到负数，`bne t3,zero` 永远
# 成立，DIVU 循环再也回不来 —— 表现就是“拨了 SW0 再拨 SW2 之后卡住”；
# 主程序的跑马灯步长 t1 也会被改掉。适配脚本把这 14 处寄存器域改成 ISR3
# 自己保存的 s4/s5/s6（SB 测试结束后紧接着的 IntLoop3 会重新给它们赋值，
# 所以这样换是安全的），字数与地址不变。
# 6) **ISR 不能破坏被打断代码的 ra**：三个 ISR 都保存 s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6，
# 但都没有保存 ra，而它们要调用显示例程，"jal ra,DISP_DLY" 会把 ra 写成 ISR
# 内部的返回地址。如果中断恰好落在被打断代码依赖 ra 的位置（典型就是主程序
# 正停在 DISP_DLY 末尾的 jalr zero,0(ra) 那一条上），中断返回后就会跳进 ISR
# 代码里，一路执行到 ISR 结尾的 csrrci zero,0x4,1，把 MIE 永久清零：表现
# 就是“跑一阵子之后拨开关再也不响应，只能复位”。窗口只有 1~2 拍，平时很
# 难遇到（仿真里把延时改到极小才会碰上）。适配脚本给 ISR 另加一份显示例程
# DISP_DLY_ISR（0x458），链接寄存器改用 a0、显示值走 a7（这两个寄存器三个
# ISR 都保存/恢复），于是 ISR 完全不碰 ra；ISR 的显示点由 "jal ra,DISP_DLY +
# nop" 换成 "add a7,a0,zero + jal a0,DISP_DLY_ISR"，仍是 2 字换 2 字，
# 字数与地址不变。
# =============================================================================
.text
addi sp, zero, 2000 #内存堆栈初始化
#############################################################
#走马灯测?,测试addi,andi,slli,srli,srai,or,ori,nor,ecall LED按走马灯方式来回显示数据
#############################################################
.text
START:
addi s0,zero,1
slli s3, s0, 31 # s3=0x80000000
srai s3, s3, 31 # s3=0xFFFFFFFF
add s0,zero,zero # s0=0
addi s2,zero,12
addi s6,zero,8 #走马灯计数
zmd_loop:
addi s0, s0, 1 #计算下一个走马灯的数
andi s0, s0, 15
#######################################
addi t0,zero,8
addi t1,zero,1
left:
slli s3, s3, 4 #走马灯左移
or s3, s3, s0
add a0,zero,s3 # display s3
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
sub t0,t0,t1
bne t0,zero,left
#######################################
addi s0, s0, 1 #计算下一个走马灯的数
addi t6,zero,15
and s0, s0, t6
slli s0, s0, 28
addi t0,zero,8
addi t1,zero,1
zmd_right:
srli s3, s3, 4 #走马灯右移
or s3, s3, s0
add a0,zero,s3 # display s3
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
sub t0,t0,t1
bne t0,zero,zmd_right
srli s0, s0, 28
#######################################
sub s6,s6,t1
beq s6,zero, exit
j zmd_loop
exit:
add t0,zero,zero
xori t0,t0,-1 #test nor ori
slli t0,t0,16
ori t0,t0,-1
add a0,zero,t0 # display t0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
j START # loop forever
#InteruptProgram1:
#############################################################################################
# exceptoin 1
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram1:
sw t0, 0(sp) #保护t0现场
addi sp, sp, 4
sw t3, 0(sp) #保护t3现场
addi sp, sp, 4
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# DIVU测试
addi t0,zero,2 # /2
addi s1,zero, 0x11
slli s1,s1,8
addi s1,s1,0x11
slli s1,s1,16
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi t3,zero,28 #ѭ������
divu_branch:
divu s1,s1,t0 #����ָ��
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi t3,t3, -1
bne t3,zero,divu_branch #ѭ��
nop # 原为 addi a7,zero,10 + ecall：这颗 CPU 会停机，改成空操作
################# 中断服务
addi s6,zero,1 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop1:
add s0,zero,s6
IntLeftShift1:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
bne s0, zero, IntLeftShift1
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop1
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
addi sp, sp, -4
lw t3, 0(sp) #恢复t3现场
addi sp, sp, -4
lw t0, 0(sp) #恢复t0现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
#InteruptProgram2:
#############################################################################################
# exceptoin 2
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram2:
sw t1, 0(sp) #保护t1现场
addi sp, sp, 4
sw t3, 0(sp) #保护t3现场
addi sp, sp, 4
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw s2, 0(sp) #保护s2现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# BLT测试
addi s1,zero,-15 #初始值
blt_branch:
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi s1,s1,1
blt s1,zero,blt_branch #当前指令
nop # 原为 addi a7,zero,10 + ecall：这颗 CPU 会停机，改成空操作
################# 中断服务
addi s6,zero,2 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop2:
add s0,zero,s6
IntLeftShift2:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
bne s0, zero, IntLeftShift2
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop2
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp) #恢复s0现场
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s2, 0(sp) #恢复s2现场
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
addi sp, sp, -4
lw t3, 0(sp) #恢复t3现场
addi sp, sp, -4
lw t1, 0(sp) #恢复t1现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
#InteruptProgram3:
#############################################################################################
# exceptoin 3
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram3:
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# SB测试
# 注：ROM 镜像里下面这段的 t1/t3/s2 已改成 ISR3 自己保存的 s4/s5/s6
# （t1 当地址 -> s4，t3 当计数 -> s5，s2 当增量 -> s6），避免抢占 ISR1
# 时破坏 ISR1 的 DIVU 循环计数，详见文件头部第 5 项。
addi t1,zero,0 #init_addr
addi t3,zero,32 #counter
#sb写入 01,02,03,04
addi s1,zero, 0x00 #
addi s2,zero, 0x01 #
sb_store:
sb s1,(t1)
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
add s1,s1,s2 #data +1
addi t1,t1,1 # addr ++
addi t3,t3,-1 #counter
bne t3,zero,sb_store
addi t3,zero,8
addi t1,zero,0 # addr
sb_branch:
lw s1,(t1) #读出数据
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi t1,t1,4
addi t3,t3, -1
bne t3,zero,sb_branch
nop # 原为 addi a7,zero,10 + ecall：这颗 CPU 会停机，改成空操作
################# 中断服务
addi s6,zero,3 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop3:
add s0,zero,s6
IntLeftShift3:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
bne s0, zero, IntLeftShift3
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop3
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
# -----------------------------------------------------------------------------
# DISP_DLY —— 显示 + 延时（对应 ROM 末尾 0x438 起的 8 条指令；11 个显示点都用
# "jal ra, DISP_DLY" 调用它）
#
# sw ra, 256(sp) # 保存返回地址（故意存在 sp+256，见下面的说明）
# lui a7, 1 # a7 = 0x1000 = LED_ADDR
# sw a0, 0(a7) # 把 a0 写进 LED 寄存器（数码管显示它的 8 位十六进制）
# lui t2, 0xFFFC0 # 计数初值为负（-262144），向上数到 0 ≈ 10 ms @50 MHz
# 1:addi t2, t2, 1
# blt t2, zero, 1b
# lw ra, 256(sp)
# jalr zero, ra, 0
#
# 为什么返回地址存在 sp+256，而不是按常规压在 sp-8 的栈帧里：
# 本程序的 ISR 用的是"先把 sp 加上去、再往里存"的向上增长栈，一层最多 48 字节，
# 最多嵌套 4 层（IRQ_STACK_DEPTH=4）共 192 字节 —— 也就是说 [sp, sp+192) 是中断
# 随时可能写到的区域。而显示调用既可能被中断打断，也可能从 ISR 内部发出，所以：
# * 若压在 sp-8（常规做法），从 ISR 里调用时会正好盖掉 ISR 存好的 s6 / uepc；
# uepc 一坏，uret 就返回到 ISR 内部地址，最后执行到 ISR 尾部的 csrrci 把 MIE
# 永久清零，之后再也不响应中断（实测就是这个现象）；
# * 放在 sp+256 越过了中断可能压栈的 192 字节区域，嵌套中断打断延时也不会破坏
# 它；每次调用各用自己的 sp+256，嵌套调用互不影响。
#
# 延时计数用"负数向上数到 0"而不是"递减到 0"：万一 t2 被嵌套调用改掉，循环只会
# 在 t2 >= 0 时立即退出，不会像递减写法那样回绕成 40 亿次而死等。
# -----------------------------------------------------------------------------
DISP_DLY:
sw ra, 256(sp)
lui a7, 1
sw a0, 0(a7)
lui t2, 0xFFFC0
DISP_DLY_WAIT:
addi t2, t2, 1
blt t2, zero, DISP_DLY_WAIT
lw ra, 256(sp)
jalr zero, ra, 0
pipelined-cpu/programs/risc-v多级中断测试(EPC内存堆栈保护) - ccab.hex → pipelined-cpu/programs/risc-v-intrupt-ccab.hex
+22 -22
View File
@@ -12,8 +12,8 @@
00499993
0089e9b3
01300533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
406282b3
fe0294e3
00140413
@@ -25,8 +25,8 @@ fe0294e3
0049d993
0089e9b3
01300533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
406282b3
fe0294e3
01c45413
@@ -38,8 +38,8 @@ fff2c293
01029293
fff2e293
00500533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
f5dff06f
00512023
00410113
@@ -71,13 +71,13 @@ f5dff06f
01148493
01049493
00900533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
01c00e13
0254d4b3
00900533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
fffe0e13
fe0e16e3
00a00893
@@ -89,8 +89,8 @@ fe0e16e3
00441413
014469b3
01300533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
fe0416e3
415a0a33
fe0a10e3
@@ -147,8 +147,8 @@ ffc10113
0040e073
ff100493
00900533
02200893
00000073
000018B7
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00148493
fe04c8e3
00a00893
@@ -160,8 +160,8 @@ fe04c8e3
00441413
014469b3
01300533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
fe0416e3
415a0a33
fe0a10e3
@@ -218,8 +218,8 @@ ffc10113
00100913
00930023
00900533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
012484b3
00130313
fffe0e13
@@ -228,8 +228,8 @@ fe0e12e3
00000313
00032483
00900533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
00430313
fffe0e13
fe0e14e3
@@ -242,8 +242,8 @@ fe0e14e3
00441413
014469b3
01300533
02200893
00000073
000018B7
00A8A023
fe0416e3
415a0a33
fe0a10e3
pipelined-cpu/programs/risc-v多级中断测试(EPC内存堆栈保护) - ccab.asm
-421
View File
@@ -1,421 +0,0 @@
.text
addi sp, zero, 2000 #内存堆栈初始化
#############################################################
#走马灯测?,测试addi,andi,slli,srli,srai,or,ori,nor,ecall LED按走马灯方式来回显示数据
#############################################################
.text
START:
addi s0,zero,1
slli s3, s0, 31 # s3=0x80000000
srai s3, s3, 31 # s3=0xFFFFFFFF
add s0,zero,zero # s0=0
addi s2,zero,12
addi s6,zero,8 #走马灯计数
zmd_loop:
addi s0, s0, 1 #计算下一个走马灯的数
andi s0, s0, 15
#######################################
addi t0,zero,8
addi t1,zero,1
left:
slli s3, s3, 4 #走马灯左移
or s3, s3, s0
add a0,zero,s3 # display s3
addi a7,zero,34 # system call for LED display
ecall # display
sub t0,t0,t1
bne t0,zero,left
#######################################
addi s0, s0, 1 #计算下一个走马灯的数
addi t6,zero,15
and s0, s0, t6
slli s0, s0, 28
addi t0,zero,8
addi t1,zero,1
zmd_right:
srli s3, s3, 4 #走马灯右移
or s3, s3, s0
add a0,zero,s3 # display s3
addi a7,zero,34 # system call for LED display
ecall # display
sub t0,t0,t1
bne t0,zero,zmd_right
srli s0, s0, 28
#######################################
sub s6,s6,t1
beq s6,zero, exit
j zmd_loop
exit:
add t0,zero,zero
xori t0,t0,-1 #test nor ori
slli t0,t0,16
ori t0,t0,-1
add a0,zero,t0 # display t0
addi a7,zero,34 # system call for LED display
ecall # display
j START # loop forever
#InteruptProgram1:
#############################################################################################
# exceptoin 1
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram1:
sw t0, 0(sp) #保护t0现场
addi sp, sp, 4
sw t3, 0(sp) #保护t3现场
addi sp, sp, 4
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# DIVU测试
addi t0,zero,2 # /2
addi s1,zero, 0x11
slli s1,s1,8
addi s1,s1,0x11
slli s1,s1,16
add a0,zero,s1
addi a7,zero,34
ecall
addi t3,zero,28 #ѭ������
divu_branch:
divu s1,s1,t0 #����ָ��
add a0,zero,s1
addi a7,zero,34
ecall #�����ǰֵ
addi t3,t3, -1
bne t3,zero,divu_branch #ѭ��
addi a7,zero,10
################# 中断服务
addi s6,zero,1 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop1:
add s0,zero,s6
IntLeftShift1:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
addi a7,zero,34 # display hex
ecall
bne s0, zero, IntLeftShift1
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop1
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
addi sp, sp, -4
lw t3, 0(sp) #恢复t3现场
addi sp, sp, -4
lw t0, 0(sp) #恢复t0现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
#InteruptProgram2:
#############################################################################################
# exceptoin 2
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram2:
sw t1, 0(sp) #保护t1现场
addi sp, sp, 4
sw t3, 0(sp) #保护t3现场
addi sp, sp, 4
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw s2, 0(sp) #保护s2现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# BLT测试
addi s1,zero,-15 #初始值
blt_branch:
add a0,zero,s1
addi a7,zero,34
ecall #输出当前值
addi s1,s1,1
blt s1,zero,blt_branch #当前指令
addi a7,zero,10
################# 中断服务
addi s6,zero,2 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop2:
add s0,zero,s6
IntLeftShift2:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
addi a7,zero,34 # display hex
ecall
bne s0, zero, IntLeftShift2
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop2
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp) #恢复s0现场
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s2, 0(sp) #恢复s2现场
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
addi sp, sp, -4
lw t3, 0(sp) #恢复t3现场
addi sp, sp, -4
lw t1, 0(sp) #恢复t1现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
#InteruptProgram3:
#############################################################################################
# exceptoin 3
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram3:
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# SB测试
addi t1,zero,0 #init_addr
addi t3,zero,32 #counter
#sb写入 01,02,03,04
addi s1,zero, 0x00 #
addi s2,zero, 0x01 #
sb_store:
sb s1,(t1)
add a0,zero,s1
addi a7,zero,34 # system call for print
ecall # print
add s1,s1,s2 #data +1
addi t1,t1,1 # addr ++
addi t3,t3,-1 #counter
bne t3,zero,sb_store
addi t3,zero,8
addi t1,zero,0 # addr
sb_branch:
lw s1,(t1) #读出数据
add a0,zero,s1
addi a7,zero,34 # system call for print
ecall # print
addi t1,t1,4
addi t3,t3, -1
bne t3,zero,sb_branch
addi a7,zero,10 # system call for exit
################# 中断服务
addi s6,zero,3 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop3:
add s0,zero,s6
IntLeftShift3:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
addi a7,zero,34 # display hex
ecall
bne s0, zero, IntLeftShift3
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop3
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v
+287 -34
View File
@@ -9,12 +9,18 @@
// （[Place 30-415] IO Placement failed due to overutilization）。本模块只把
// 开发板真正需要的外设引出来，其余调试端口不连接，因此不占用引脚：
//
// clk100 (E3) -> CPU 时钟（100 MHz，经 CLK_DIV 分频后给 CPU）
// clk100 (E3) -> CPU 时钟（100 MHz，经 CPU_DIV 分频后给 CPU；默认 50 MHz，
// 跑中断综合测试程序时用更慢的 CLK_DIV_INTRUPT，
// 让数码管上每个数值停留更久，便于观察）
// rst_n (C12) -> 复位按键 CPU_RESETN，低有效，经复位同步器
// go (N17) -> 按键 BTNC：ecall 停机后按下继续运行
// irq_sw[2:0] -> 拨码开关 SW[2:0]：3 路中断源
// led[15:0] -> 板载 LED[15:0]：显示 MMIO（LED_ADDR）写入值的低 16 位
// led[15:0] -> 板载 LED[15:0]：LED[2:0] = 三路中断指示，从该路中断
// 请求出现开始点亮，一直到它的 ISR 执行 uret 返回后才熄灭；
// LED[15:3] 熄灭
// led_we (R12) -> LED16_B：有 MMIO 写入时亮，并拉长约 0.34 s 便于观察
// an/seg/dp -> 板载 8 位七段数码管：显示程序写入 LED_ADDR 的 32 位
// 十六进制数据（每 4 位对应一个数码管）
//
// 片内存储器：
// ROM：ROM_WORDS 字，组合读，内容由 `include "cpu21_board_rom.vh"` 给出
@@ -25,10 +31,10 @@
// 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 #(
parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000,
parameter ROM_WORDS = 1024,
parameter RAM_WORDS = 1024,
parameter [31:0] USTATUS_INIT = 32'h0000_0001,
parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000,
parameter ROM_WORDS = 8192,
parameter RAM_WORDS = 1024,
parameter [31:0] USTATUS_INIT = 32'h0000_0001,
// 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，
// 实测（xc7a100tcsg324-1）：
@@ -37,28 +43,81 @@ module cpu21_board_top #(
// 7~8 ns 都是布线）；
// CLK_DIV=2（ 50 MHz）：WNS ≈ +8 ns，余量充足。
// 因此默认取 2，既比原来的 16 分频快 8 倍，又能保证时序收敛。
parameter integer CLK_DIV = 2
parameter integer CLK_DIV = 2,
// 中断综合测试程序（RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM）专用的 CPU 分频比。
// 该程序每次显示之间的延时常量是按 50 MHz 调的：50 MHz 下每个数值只停留
// 约 10 ms，数码管上根本读不出来。停留时间与分频比成正比，例如：
// 8 → 12.5 MHz（每个数值约 40 ms）、16 → 6.25 MHz（约 80 ms）、
// 32 → 3.125 MHz（约 160 ms）、64 → 1.5625 MHz（约 320 ms）。
// 取大于 2 的值只是把实际时钟变慢，XDC 的 cpu_clk 仍按最坏情况 50 MHz 约束，
// 所以不会掩盖时序违例（约束偏严）。
parameter integer CLK_DIV_INTRUPT = 32,
// 鼠标事件源：0 = 板上 5 向按键（免外设，默认）；1 = PS/2 鼠标（Pmod JA）
parameter integer USE_PS2_MOUSE = 0
) (
input wire clk100, // E3
input wire rst_n, // C12：CPU_RESETN，低有效
input wire go, // N17：BTNC
input wire [ 2:0] irq_sw, // SW[2:0]
output wire [15:0] led, // LED[15:0]
output wire led_we // LED16_B：MMIO 写入指示
input wire clk100, // E3
input wire rst_n, // C12：CPU_RESETN，低有效
input wire go, // N17：BTNC（同时用作鼠标左键）
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
input wire btnd, // P18：光标下
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);
// CPU 时钟实际用的分频比：中断综合测试程序用更慢的 CLK_DIV_INTRUPT，
// 其余程序用 CLK_DIV。两者必须都是偶数（保证 50% 占空比）。
`ifdef RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM
localparam integer CPU_DIV = CLK_DIV_INTRUPT;
`else
localparam integer CPU_DIV = CLK_DIV;
`endif
// 数码管扫描分频：目标是“每位数码管约 125 Hz 刷新”（即每步 1 ms），与 CPU
// 时钟频率无关。每步时间 = REFRESH_DIV / f_cpu，而 f_cpu = 100 MHz / CPU_DIV，
// 所以 REFRESH_DIV = 1 ms × f_cpu = 100000 / CPU_DIV：
// CPU_DIV = 2（ 50 MHz）-> 50000（每步 1 ms，每位数码管 125 Hz）
// CPU_DIV = 8（12.5 MHz）-> 12500（同上）
// 例：CPU_DIV = 32（3.125 MHz）-> 3125（每步仍是 1 ms）。
// 不这样缩放的话，CPU 降频时扫描会按同样比例变慢，肉眼能看到闪烁。
localparam integer SEG_REFRESH_DIV = 100000 / CPU_DIV;
wire arst = ~rst_n; // 异步复位（高有效）
// ---------------------------------------------------------------------------
// 时钟：100 MHz / CLK_DIV（默认 2 = 50 MHz）给 CPU。
// 时钟：100 MHz / CPU_DIV 给 CPU。默认 50 MHz（CLK_DIV=2）；跑中断综合测试
// 程序时用更慢的 CLK_DIV_INTRUPT（见该参数说明），让数码管上的数值停留更久。
//
// 乘除法已经是 cpu21_riscv_muldiv 里的多周期单元，关键路径上不再有组合的
// 32x32 乘法/除法；剩下的违例路径是 EX 级“分支判决/中断保存 → BPB 更新”，
// 与乘除法无关，实测 100 MHz 下 WNS = -1.1 ns，50 MHz 下余量约 +8 ns。
// 分频后的时钟由 Vivado 自动插 BUFG；XDC 里用 create_generated_clock 声明，
// 改分频比时两处要一起改。
// 分频后的时钟由 Vivado 自动插 BUFG；XDC 里用 create_generated_clock 声明。
// XDC 按最坏情况固定成 -divide_by 2（50 MHz），所以这里把实际时钟变慢属于
// “约束偏严”，不会掩盖时序违例。
//
// 中断综合测试程序会用更慢的 CPU_DIV（见 CLK_DIV_INTRUPT）：程序里的延时常量
// 按 50 MHz 调好，50 MHz 下每个数值只停留约 10 ms，读数根本看不清；
// 停留时间与分频比成正比，具体见 CLK_DIV_INTRUPT 的说明。
// 注意：VGA 的 25 MHz 像素节拍也是从这个 CPU 时钟分频出来的，CPU 降频时
// VGA 行场时序会跟着变慢（超出 VGA 规范）。中断测试程序不用 VGA，无影响。
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [15:0] clk_cnt;
reg clk_div;
@@ -67,7 +126,7 @@ module cpu21_board_top #(
if (arst) begin
clk_cnt <= 16'd0;
clk_div <= 1'b0;
end else if (clk_cnt == (CLK_DIV / 2 - 1)) begin
end else if (clk_cnt == (CPU_DIV / 2 - 1)) begin
clk_cnt <= 16'd0;
clk_div <= ~clk_div;
end else begin
@@ -87,31 +146,54 @@ module cpu21_board_top #(
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）
wire [31:0] instr_addr;
wire [31:0] data_addr;
wire [31:0] data_wdata;
wire [ 3:0] data_wstrb;
wire data_we;
wire [31:0] led_data;
wire led_valid;
wire [31:0] instr_addr;
wire [31:0] data_addr;
wire [31:0] data_wdata;
wire [ 3:0] data_wstrb;
wire data_we;
wire [31:0] led_data; // LED_ADDR 写入值，同时作为七段数码管显示数据
wire led_valid;
// 扫雷扩展外设的连线（先声明，例化在下面）
wire [31:0] disp_ctrl, disp_cursor; // 显示控制器（CPU 内部 MMIO 驱动）
wire [31:0] seg_data; // 保留的独立数码管 MMIO 数据
wire seg_valid;
wire fb_we; // 显存写端口
wire [ 9:0] fb_waddr;
wire [31:0] fb_wdata;
wire [ 3:0] fb_wstrb;
wire [ 9:0] fb_raddr; // 显存读端口（VGA）
wire mouse_irq, level_irq; // 鼠标事件中断 / 软件中断（关卡入口）
wire [1:0] irq_level; // 当前正在服务的中断级别（0 = 不在中断里，1/2/3 = 在 ISR 里）
wire frame_tick;
wire [15:0] sw_vec = {12'b0, sw_flag, irq_sw};
// 中断连线：SW0 与鼠标共用一个入口，SW1 与"关卡入口"共用一个入口。
wire [2:0] irq_vec = {irq_sw[2], (level_irq | irq_sw[1]), (mouse_irq | irq_sw[0])};
// ---------------------------------------------------------------------------
// 指令 ROM：组合读
// 指令 ROM：组合读（未用到的地址填 NOP）
// ---------------------------------------------------------------------------
reg [31:0] rom [0:ROM_WORDS-1];
integer i;
reg [31:0] rom[0:ROM_WORDS-1];
integer i;
initial begin
for (i = 0; i < ROM_WORDS; i = i + 1) rom[i] = 32'h0000_0013; // NOP 填充
`ifdef BOARD_ROM_FAST
`ifdef SAOLEI_ROM
// 扫雷程序（由 saolei/tools/build.ps1 生成的 cpu21_saolei_rom.vh）。
// 综合/仿真时定义宏 SAOLEI_ROM 即可切换到这个程序；不定义就是下面的跑马灯。
`include "cpu21_saolei_rom.vh"
`elsif RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM
// 中断综合测试程序：三个中断入口由镜像中的实际标签位置决定。
`include "risc-v-intrupt-ccab.vh"
`elsif BOARD_ROM_FAST
// 仿真专用：把演示程序的延时改小的版本（综合流程不会用到）
`include "cpu21_board_rom_fast.vh"
`else
`include "cpu21_board_rom.vh"
`endif
end
// ---------------------------------------------------------------------------
@@ -145,13 +227,25 @@ module cpu21_board_top #(
// ---------------------------------------------------------------------------
cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
.LED_ADDR (LED_ADDR),
.USTATUS_INIT(USTATUS_INIT)
.USTATUS_INIT(USTATUS_INIT),
// 中断入口必须与所选 ROM 镜像中的 ISR 起点一致。
`ifdef RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM
// risc-v-intrupt-ccab.hex：字 43/121/194
.IRQ1_VECTOR (32'h0000_00AC),
.IRQ2_VECTOR (32'h0000_01E4),
.IRQ3_VECTOR (32'h0000_0308)
`else
// 扫雷程序：linker.ld 中固定的 0x100/0x200/0x300
.IRQ1_VECTOR (32'h0000_0100),
.IRQ2_VECTOR (32'h0000_0200),
.IRQ3_VECTOR (32'h0000_0300)
`endif
) u_cpu (
.clk (clk_cpu),
.reset (reset),
.instr_i (instr_word),
.data_rdata_i(data_rdata),
.irq_i (irq_sw),
.irq_i (irq_vec),
.go_i (go),
.instr_addr_o(instr_addr),
@@ -161,23 +255,182 @@ module cpu21_board_top #(
.data_we_o (data_we),
.led_data_o (led_data),
.led_valid_o(led_valid)
.led_valid_o(led_valid),
// 扫雷扩展外设
.seg_data_o (seg_data),
.seg_valid_o (seg_valid),
.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),
// 中断服务级别，供板上的中断指示 LED 使用（见下面 LED 那一段）
.irq_current_level_o(irq_level)
);
// ---------------------------------------------------------------------------
// 板载 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位；写入指示拉长便于观察
// 板载 LED：三路中断指示；十六进制数据改由七段数码管显示。
//
// 第 k 路中断从"请求出现"开始点亮，一直亮到它的 ISR 执行完 uret（中断返回）
// 之后才熄灭：
// 置位：irq_vec[k] 的上升沿。中断控制器内部也是按上升沿响应中断的
// （cpu21_riscv_irq_ctrl 里的 irq_event），两者行为一致；开关一直
// 接通不会重复点亮，只有新的上升沿才会重新置位。
// 清零：服务级别 irq_level 从 k+1 **降下来**，说明第 k+1 级的中断已经返回。
// 注意必须判断“下降”：级别从 1 升到 2 是深层中断抢占，此时第 1 级
// 的中断还在服务中，LED 不能熄。中断可以嵌套，返回时按级别逐层降
// 下来，因此每一路都在自己的 ISR 结束时熄灭。
// ---------------------------------------------------------------------------
assign led = led_data[15:0];
reg [2:0] irq_req_q; // 中断请求打一拍，用于取上升沿
reg [1:0] irq_level_q; // 服务级别打一拍，用于检测"返回"
reg [2:0] irq_led_q; // 三路中断指示
wire isr_ret0 = (irq_level_q == 2'd1) && (irq_level < irq_level_q);
wire isr_ret1 = (irq_level_q == 2'd2) && (irq_level < irq_level_q);
wire isr_ret2 = (irq_level_q == 2'd3) && (irq_level < irq_level_q);
always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
if (arst) begin
irq_req_q <= 3'b000;
irq_level_q <= 2'd0;
irq_led_q <= 3'b000;
end else begin
irq_req_q <= irq_vec;
irq_level_q <= irq_level;
// 请求上升沿 -> 点亮；对应级别的 ISR 返回 -> 熄灭
irq_led_q[0] <= (irq_vec[0] & ~irq_req_q[0]) | (irq_led_q[0] & ~isr_ret0);
irq_led_q[1] <= (irq_vec[1] & ~irq_req_q[1]) | (irq_led_q[1] & ~isr_ret1);
irq_led_q[2] <= (irq_vec[2] & ~irq_req_q[2]) | (irq_led_q[2] & ~isr_ret2);
end
end
assign led = {{13{1'b0}}, irq_led_q};
reg [23:0] led_we_cnt;
always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
if (arst) led_we_cnt <= 24'd0;
else if (led_valid) led_we_cnt <= 24'hFF_FFFF; // 约 0.34 s @50 MHz
// （12.5 MHz 下约 1.36 s）
else if (led_we_cnt != 24'd0) led_we_cnt <= led_we_cnt - 24'd1;
end
assign led_we = (led_we_cnt != 24'd0);
// ===========================================================================
// 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),
.vga_hs (vga_hs),
.vga_vs (vga_vs),
.frame_tick_o(frame_tick)
);
// ---- 七段数码管（显示程序写入 LED_ADDR 的 8 位十六进制数）----
// 扫描分频按 CPU 时钟频率缩放，保持每位数码管约 125 Hz 刷新（不闪烁）。
cpu21_seg7 #(
.REFRESH_DIV(SEG_REFRESH_DIV)
) u_seg7 (
.clk (clk_cpu),
.reset (reset),
.seg_data_i(led_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
endmodule
`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/board/risc-v-intrupt-ccab.vh
+1027
View File
File diff suppressed because it is too large Load Diff
pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc
+57 -2
View File
@@ -13,6 +13,11 @@ create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports { c
create_generated_clock -name cpu_clk -source [get_ports { clk100 }] \
-divide_by 2 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
## 这里固定按最坏情况 50 MHz（-divide_by 2）约束。跑中断综合测试程序时 RTL 里的
## CPU_DIV 会变成 8（12.5 MHz，见 cpu21_board_top.v 的 CLK_DIV_INTRUPT），实际
## 时钟比这里的约束更慢，因此仍然满足——约束偏严，不会掩盖时序违例。
## （真要改分频比时，两处都要改；把这里的 -divide_by 调大反而会放松约束。）
## 复位按键（CPU_RESETN，低有效）与"继续运行"按键（BTNC）
set_property -dict { PACKAGE_PIN C12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { rst_n }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN N17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { go }]
@@ -22,7 +27,8 @@ set_property -dict { PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw
set_property -dict { PACKAGE_PIN L16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[1] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN M13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[2] }]
## 16 位 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位
## 16 位 LED：LED[2:0] = 三路中断指示（请求出现即亮，ISR 执行 uret 返回后灭），
## LED[15:3] 熄灭
set_property -dict { PACKAGE_PIN H17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[0] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN K15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[1] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN J13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[2] }]
@@ -40,8 +46,57 @@ set_property -dict { PACKAGE_PIN V14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[13
set_property -dict { PACKAGE_PIN V12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[14] }]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[15] }]
## LED16_B：MMIO 写入指示（拉长约 0.34 s @50 MHz）
## LED16_B：MMIO 写入指示（约 0.34 s @50 MHz；中断程序的 12.5 MHz 下约 1.36 s）
set_property -dict { PACKAGE_PIN R12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led_we }]
## 上板调试时可把 MMIO 写入的 LED 寄存器也引到 LED16_R/G，
## 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。
//
// 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）：
// * 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
// 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。
// 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，
// 具体改哪几个字节由 wstrb_i 决定，与原来 LED 的语义一致）：
//
// 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，
// 处理器核心与流水线时序不需要改动。
// 0x0000_1000 LED 数据寄存器（**保持原有语义不变**，led_valid_o 拉高一拍）
// 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 #(
parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000
) (
input wire clk,
input wire reset,
// MEM 级的访存请求（来自 EX/MEM 流水寄存器）
input wire mem_valid_i,
input wire mem_write_i,
input wire mem_read_i,
input wire [31:0] addr_i,
input wire [31:0] wdata_i,
input wire [ 3:0] wstrb_i,
// MMIO 读回
output wire [31:0] rdata_o,
output wire rdata_hit_o,
// LED 外设
output reg [31:0] led_data_o,
output reg led_valid_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，
// 具体修改哪几个字节由 wstrb_i 决定（sw 全字、sb 单字节）。
wire led_wr = mem_valid_i && mem_write_i && (addr_i[31:2] == LED_ADDR[31:2]);
wire led_rd = mem_valid_i && mem_read_i && (addr_i[31:2] == LED_ADDR[31:2]);
parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000,
parameter integer FB_WORDS = 300,
parameter integer FIFO_DEPTH = 16
) (
input wire clk,
input wire reset,
// MEM 级的访存请求（来自 EX/MEM 流水寄存器）
input wire mem_valid_i,
input wire mem_write_i,
input wire mem_read_i,
input wire [31:0] addr_i,
input wire [31:0] wdata_i,
input wire [ 3:0] wstrb_i,
// MMIO 读回
output wire [31:0] rdata_o,
output wire rdata_hit_o,
// LED 外设（原样保留）
output reg [31:0] led_data_o,
output reg led_valid_o,
// 七段数码管：8 位十六进制数
output reg [31:0] seg_data_o,
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;
assign rdata_o = led_data_o;
wire sel_led = (addr_i[31:2] == LED_ADDR[31:2]);
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
if (reset) begin
led_data_o <= 32'b0;
led_valid_o <= 1'b0;
end else begin
// led_valid_o 只拉高一拍，作为“本周期有 LED 写入”的指示。
led_valid_o <= 1'b0;
if (led_wr) begin
if (wstrb_i[0]) led_data_o[7:0] <= wdata_i[7:0];
if (wstrb_i[1]) led_data_o[15:8] <= wdata_i[15:8];
if (wstrb_i[2]) led_data_o[23:16] <= wdata_i[23:16];
if (wstrb_i[3]) led_data_o[31:24] <= wdata_i[31:24];
led_valid_o <= 1'b1;
end
wire [3:0] midx = addr_i[5:2];
wire [3:0] didx = addr_i[5:2];
wire [9:0] fb_widx = addr_i[10:2];
wire fb_ok = (fb_widx < FB_WORDS);
wire led_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_led;
wire led_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_led;
wire seg_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_seg;
wire seg_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_seg;
wire mo_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_mouse;
wire mo_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_mouse;
wire dp_wr = mem_valid_i && mem_write_i && sel_disp;
wire dp_rd = mem_valid_i && mem_read_i && sel_disp;
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
// ---------------------------------------------------------------------------
// 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
`default_nettype wire
pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_pointer.v
+105
View File
@@ -0,0 +1,105 @@
`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
pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_ps2_mouse.v
+147
View File
@@ -0,0 +1,147 @@
`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）。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'b0;
// 两级同步
reg ps2_clk_s1, ps2_clk_s2, ps2_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）
// 数据字节 = frame_q[8:1]，它的 bit3 就是 frame_q[4]
// （不能写 frame_q[8:1][3]：Verilog-2001 不允许 part-select 再取位）
if (frame_q[4] == 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 <= pkt_q[15:8]; // byte1 = dx
ev_dy_o <= frame_q[8:1]; // byte2 = dy
// 与 cpu21_mmio / mmio.h 一致：bit0=左键, bit1=右键, bit2=中键
ev_btn_o <= {2'b0, pkt_q[2], pkt_q[1], pkt_q[0]};
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
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
+107
View File
@@ -0,0 +1,107 @@
`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：REFRESH_DIV 分频后约 1 kHz 切换一位（8 位 => 每位数码管 125 Hz
// 刷新）。REFRESH_DIV 由顶层按 CPU 时钟频率给出（默认 50000 @50 MHz），
// 这样 CPU 降频时扫描刷新率不会跟着变慢。
// 板载数码管是共阳极：位选拉低选中，段选拉低点亮。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_seg7 #(
parameter integer REFRESH_DIV = 50000 // 50 MHz / 50000 = 1 kHz 切换一位
) (
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
// ---------------------------------------------------------------------------
// 计数位宽要能装下 REFRESH_DIV-1：顶层按 CPU 频率等比给出该值
//（50 MHz 时 50000，12.5 MHz 时 12500；若不分频直接跑 100 MHz 则 100000），
// 因此这里用 20 位（最大约 100 万）留足余量。
reg [19:0] div_q;
reg [ 2:0] digit_q;
wire tick = (div_q == (REFRESH_DIV - 1));
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
div_q <= 20'd0;
digit_q <= 3'd0;
end else if (tick) begin
div_q <= 20'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
+241
View File
@@ -0,0 +1,241 @@
`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
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
// -----------------------------------------------------------------------------
module tb_board_top;
reg clk100 = 1'b0;
reg rst_n = 1'b0;
reg go = 1'b0;
reg [2:0] irq_sw = 3'b000;
reg clk100 = 1'b0;
reg rst_n = 1'b0;
reg go = 1'b0;
reg [2:0] irq_sw = 3'b000;
wire [15:0] led;
wire led_we;
wire [15:0] led;
wire led_we;
always #5 clk100 = ~clk100; // 100 MHz
always #5 clk100 = ~clk100; // 100 MHz
cpu21_board_top #(
.LED_ADDR(32'h0000_1000)
) dut (
.clk100(clk100),
.rst_n (rst_n),
.go (go),
.irq_sw(irq_sw),
.led (led),
.led_we(led_we)
);
cpu21_board_top #(
.LED_ADDR(32'h0000_1000)
) dut (
.clk100(clk100),
.rst_n (rst_n),
.go (go),
.irq_sw(irq_sw),
.led (led),
.led_we(led_we),
// 扫雷扩展端口：本测试平台不复位测试这些功能，输入显式接 0/1，
// 避免悬空（z）传到中断控制器里影响跑马灯的比对结果。
.btnu (1'b0),
.btnd (1'b0),
.btnl (1'b0),
.btnr (1'b0),
.sw_flag (1'b0),
.ps2_clk (1'b1),
.ps2_data(1'b1),
.an (),
.seg (),
.dp (),
.vga_r (),
.vga_g (),
.vga_b (),
.vga_hs (),
.vga_vs ()
);
integer changes = 0;
reg [15:0] led_prev = 16'hxxxx;
integer changes = 0;
reg [15:0] led_prev = 16'hxxxx;
always @(posedge clk100) begin
if (led !== led_prev) begin
changes = changes + 1;
led_prev = led;
$display("t=%t LED=%04h led_we=%b", $time, led, led_we);
always @(posedge clk100) begin
if (led !== led_prev) begin
changes = changes + 1;
led_prev = led;
$display("t=%t LED=%04h led_we=%b", $time, led, led_we);
end
end
end
initial begin
$timeformat(-9, 3, " ns", 12); // %t 按 ns 显示（默认按精度 ps 显示）
$display("NOTE: 复位后观察 LED（默认程序首次写入应为 0001）");
repeat (10) @(posedge clk100);
rst_n = 1'b1;
repeat (30000) @(posedge clk100); // 300 us（CPU 时钟为 clk100/2 = 50 MHz）
$display("FINAL: LED 变化次数=%0d 当前 LED=%04h", changes, led);
$finish;
end
initial begin
$timeformat(-9, 3, " ns", 12); // %t 按 ns 显示（默认按精度 ps 显示）
$display("NOTE: 复位后观察 LED（默认程序首次写入应为 0001）");
repeat (10) @(posedge clk100);
rst_n = 1'b1;
repeat (30000) @(posedge clk100); // 300 us（CPU 时钟为 clk100/2 = 50 MHz）
$display("FINAL: LED 变化次数=%0d 当前 LED=%04h", changes, led);
$finish;
end
endmodule
pipelined-cpu/tools/adapt_intrupt_ccab.py
+414
View File
@@ -0,0 +1,414 @@
#!/usr/bin/env python3
"""把中断测试程序适配到这块 CPU 上板运行（只改 ROM 内容，不改 CPU 语义）。
背景
----
programs/risc-v-intrupt-ccab.hex 是课程的中断/异常测试程序（270 字）。
直接放进板上 ROM 会有两个问题：
1) ISR 里的 ecall 会停机
三个中断服务程序里各有一条 "addi a7,zero,10" + "ecall"。这颗 CPU 的约定是
a7==34 的 ecall 是历史"显示"调用（无操作），其余 a7 值一律让流水线停机并等待
go_i。于是 ISR 跑到这里就卡住：后面的中断服务显示循环永远不执行，主程序的
跑马灯也停在原地。
-> 把 "addi a7,zero,10" + "ecall" 换成两条 NOP。
2) 显示刷新太快，数码管上看不出跑马灯
原来的显示是 "lui a7,1" + "sw a0,0(a7)"（写 MMIO 的 LED 寄存器）。主循环里
两次显示只隔几拍（50 MHz 下约 0.1 us），而数码管是按位动态扫描的，根本来不及
分辨，只会看到一片亮。
-> 把每条显示换成 "jal ra,DISP_DLY" + "nop"，由追加在 ROM 末尾的 DISP_DLY
完成"写 LED 寄存器 + 约 10 ms 延时"。
（注意：早先把旧的 "addi a7,zero,34 + ecall" 换成 MMIO 存储时，rs1 域算错，
把 sw 写成了 sb —— 只更新 LED 寄存器的低字节，高位一直是旧值，显示自然是
错的。DISP_DLY 内部统一用正确的 sw 写整个字，这个脚本会顺带纠正。）
3) **修正 ISR2 / ISR3 的现场恢复顺序**
原始 hex 是手工改过的，两个 ISR 的出栈顺序被写乱（ISR1 是对的）：
* ISR3：把 s1 从 s3 的槽位弹出，于是 s1 被写成 s3 保存的值 0xFFFFF111；
ISR3 返回后，正在跑 BLT 测试的 ISR2 的循环计数 s1 就变成了 -3823，
循环要跑 3800 多次（约 170 万周期）才退出 —— 看起来就是“二级中断返回
之后卡住”；
* ISR2：s0/s2/a0/a7/s1/t3/t1 全部错位，返回后调用者的这些寄存器被破坏。
-> 按 asm 清单里正确的 LIFO 顺序，只改 12 条 `lw` 的目标寄存器（字数不变、
地址不动），ISR3 改 5 条、ISR2 改 7 条。
5) **修正 ISR3 的 SB 测试用到的未保存寄存器**
ISR3 的现场只保存了 s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6/uepc，但它的 SB 测试却用
t1（地址）、t3（计数）、s2（增量）—— 这三个都没保存。后果：
* 若 IRQ3 抢占正在跑 DIVU 测试的 ISR1（ISR1 用 t3 做递减计数），ISR1 的
计数会被 ISR3 改成 0；ISR1 恢复后 `addi t3,t3,-1` 得到 -1，`bne t3,zero`
永远成立 —— ISR1 的 DIVU 循环再也出不来，表现为“三级中断之后卡住”；
* 主程序的跑马灯步长 t1 也会被改掉。
-> 改用 ISR3 自己保存的 s4/s5/s6：SB 测试结束后紧接着的 IntLoop3
（0x3B4 起）会重新给它们赋值，所以这样换是安全的；同样只改寄存器域，
字数与地址不变。
6) **ISR 不能破坏被打断代码的 ra**
三个 ISR 的现场里都保存了 s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6（外加各自的测试寄存器），
但**都没有保存 ra**，而它们要调用显示例程，`jal ra,DISP_DLY` 会把 ra 写成
ISR 内部的返回地址。后果：如果中断恰好落在被打断代码依赖 ra 的位置
—— 典型就是主程序正停在 DISP_DLY 末尾的 `jalr zero,0(ra)`（第 0x454 字）
—— 中断返回后 `jalr` 会跳到 ra 里的地址，也就是 ISR 内部的某条指令上，
于是一路执行到 ISR 结尾的 `csrrci zero,0x4,1`，把 MIE 永久清零：
“跑一阵子之后拨开关再也不响应，只能按复位”。窗口只有 1~2 拍，所以平时
很难遇到（仿真里把延时改到极小才会碰上）。
-> 给 ISR 另加一份显示例程 DISP_DLY_ISR（0x458），链接寄存器改用 **a0**，
显示值改走 **a7**：这两个寄存器三个 ISR 都保存/恢复，所以
* ISR 完全不碰 ra，被打断的代码停在 DISP_DLY 哪里都安全；
* ISR 自己被内层中断打断时，内层 ISR 返回也会把 a0/a7 恢复成被打断时
的值，所以 DISP_DLY_ISR 自己的 `jalr zero,0(a0)` 同样安全。
主程序的 3 个显示点仍用原来的 DISP_DLY（链接在 ra，行为不变）。
每个 ISR 显示点：`jal ra,DISP_DLY` + `nop` 换成
`add a7,a0,zero` + `jal a0,DISP_DLY_ISR` —— 仍是 2 字换 2 字。
以上替换都是 **2 字换 2 字**，两个例程又追加在最后一条指令（uret）之后，所以
**所有指令地址都保持不变**，三个中断入口仍然是 0x0AC / 0x1E4 / 0x308。
DISP_DLY（8 字，追加在程序末尾）
--------------------------------
sw ra, 256(sp) # 保存返回地址
lui a7, 1 # a7 = 0x1000 = LED_ADDR
sw a0, 0(a7) # 把 a0 写进 LED 寄存器（数码管显示它的 8 位十六进制）
lui t2, DELAY # 计数初值为负，向上数到 0（约 10 ms @50 MHz）
1: addi t2, t2, 1
blt t2, zero, 1b
lw ra, 256(sp)
jalr zero, ra, 0
为什么返回地址存在 sp+256 而不是程序栈里：
本程序的 ISR 是“先把 sp 加上去，再往里存”的向上增长栈，一层最多占 48 字节，
最多嵌套 4 层（IRQ_STACK_DEPTH=4）共 192 字节，所以 [sp, sp+192) 是中断随时
可能写到的区域。把返回地址放在 sp+256（越过了这个区域）：
* 从 ISR 里调用时，不会覆盖 ISR 存好的 s6 / uepc（早期用 sp-8 就是这么坏掉的：
uepc 被写坏后 uret 会返回到 ISR 内部地址，最后执行到 csrrci 把 MIE 永久清零）；
* 中断（包括多层嵌套）随时打断延时也不会破坏它，因为嵌套 ISR 只会在
[sp, sp+192) 里压栈；
* 每次调用各用自己 sp+256 的位置，所以嵌套调用也互不影响。
延时计数不用“递减到 0”而用“负数向上数到 0”：万一被嵌套调用改掉了 t2，循环也
只会在 t2 >= 0 时立即退出，不会像递减写法那样绕成 40 亿次而死等。
用法
----
python tools/adapt_intrupt_ccab.py <输入.hex> <输出.vh> [输出_fast.hex]
<输入.hex> programs/risc-v-intrupt-ccab.hex（未适配的原始镜像）
<输出.vh> srcs/board/risc-v-intrupt-ccab.vh（上板综合用）
[输出_fast.hex] 可选：延时改成约 0.6 us 的仿真专用版本。上板一次中断服务要跑
几十毫秒（几十万个时钟），仿真跑完整流程会很慢，因此仿真用这个
快版来验证控制流（入口 / 中断返回 / 不停机），延时量本身不影响
控制流。
"""
import sys
NOP = 0x00000013
LED_ADDR_HI = 1 # lui a7, 1 -> a7 = 0x1000（LED_ADDR）
# 延时计数：计数初值为负，向上数到 0。0xFFFC0000 -> 0x40000 = 262144 次
# （每轮约 2 个时钟）= 52.4 万个时钟 ≈ 10 ms @50 MHz。
DELAY_NEG_HI = 0xFFFC0
DELAY_FAST_NEG = -16 # 仿真用：addi t2, zero, -16 ≈ 0.6 us
# DISP_DLY 保存返回地址的偏移：必须大于 ISR 最大嵌套栈用量（4 层 x 48B = 192B）
LINK_SLOT = 256
# 寄存器号
ZERO, RA, SP, GP, T2, A0, A7 = 0, 1, 2, 3, 7, 10, 17
def enc_i(imm, rs1, f3, rd, op=0x13):
return ((imm & 0xFFF) << 20) | (rs1 << 15) | (f3 << 12) | (rd << 7) | op
def enc_s(imm, rs2, rs1, f3):
imm &= 0xFFF
return (((imm >> 5) << 25) | (rs2 << 20) | (rs1 << 15) | (f3 << 12)
| ((imm & 0x1F) << 7) | 0x23)
def enc_b(imm, rs2, rs1, f3):
imm &= 0x1FFF
return ((((imm >> 12) & 1) << 31) | (((imm >> 5) & 0x3F) << 25)
| (rs2 << 20) | (rs1 << 15) | (f3 << 12)
| (((imm >> 1) & 0xF) << 8) | (((imm >> 11) & 1) << 7) | 0x63)
def enc_u(imm, rd):
return ((imm & 0xFFFFF) << 12) | (rd << 7) | 0x37
def enc_j(imm, rd):
imm &= 0x1FFFFF
return ((((imm >> 20) & 1) << 31) | (((imm >> 1) & 0x3FF) << 21)
| (((imm >> 11) & 1) << 20) | (((imm >> 12) & 0xFF) << 12)
| (rd << 7) | 0x6F)
HALT_LOAD = enc_i(10, ZERO, 0, A7) # addi a7, zero, 10
ECALL = 0x00000073
DISP_LUI = enc_u(LED_ADDR_HI, A7) # lui a7, 1
DISP_SW = enc_s(0, A0, A7, 2) # sw a0, 0(a7) <- 正确：字写
DISP_SB_BAD = enc_s(0, A0, A7, 0) # sb a0, 0(a7) <- 误写成字节写，一并修正
# 说明：这两种都当成"显示点"。DISP_DLY 内部一律用正确的 sw 写整个字，因此即使
# 输入镜像里是 sb（只写低字节，显示的高位会残留旧值），适配后也会恢复正常。
def disp_dly(delay_word):
"""DISP_DLY 的 8 条指令（delay_word 决定延时长短）。
返回地址存在 sp+LINK_SLOT，位于 ISR 可能压栈的区域之上，所以中断（含嵌套）
打断延时也不会破坏它 —— 见文件头的说明。
"""
return [
enc_s(LINK_SLOT, RA, SP, 2), # sw ra, 256(sp)
DISP_LUI, # lui a7, 1
DISP_SW, # sw a0, 0(a7)
delay_word, # lui t2, 0xFFFC0 / addi t2, zero, -16
enc_i(1, T2, 0, T2), # addi t2, t2, 1
enc_b(-4, ZERO, T2, 4), # blt t2, zero, -4
enc_i(LINK_SLOT, SP, 2, RA, 0x03), # lw ra, 256(sp)
enc_i(0, RA, 0, ZERO, 0x67), # jalr zero, ra, 0
]
def disp_dly_isr(delay_word):
"""ISR 专用的显示/延时例程（8 条）—— 链接寄存器用 a0，不用 ra。
三个 ISR 的现场都保存了 a7 与 a0（s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6），所以把链接放
a0、把显示值放 a7 不会额外破坏任何东西；而 ra 完全不被触碰，被打断的代码
即使停在主 DISP_DLY 的 `jalr zero,0(ra)` 上也不会被破坏。
"""
return [
enc_s(LINK_SLOT, A0, SP, 2), # sw a0, 256(sp) 保存链接寄存器
enc_u(LED_ADDR_HI, A0), # lui a0, 1 a0 = 0x1000
enc_s(0, A7, A0, 2), # sw a7, 0(a0) 显示 a7
delay_word, # lui t2, 0xFFFC0 / addi t2,zero,-16
enc_i(1, T2, 0, T2), # addi t2, t2, 1
enc_b(-4, ZERO, T2, 4), # blt t2, zero, -4
enc_i(LINK_SLOT, SP, 2, A0, 0x03), # lw a0, 256(sp)
enc_i(0, A0, 0, ZERO, 0x67), # jalr zero, a0, 0
]
# 三个中断入口的原指令（核对地址没有跑偏）
ISR_ENTRY = {43: 0x00512023, 121: 0x00612023, 194: 0x00912023}
# 三个 ISR 的代码从 ISR1 入口开始一直排到程序末尾（主程序在它之前）
ISR1_WORD = min(ISR_ENTRY)
# 需要修正目标寄存器的 `lw X,0(sp)`：addr -> (当前错误的 rd, 正确的 rd)
# ISR3（入口 0x308）恢复顺序应为：uepc,s6,s5,s4,s3,s0,a0,a7,s1
# ISR2（入口 0x1E4）恢复顺序应为：uepc,s6,s5,s4,s3,s0,a0,a7,s2,s1,t3,t1
FIX_POPS = {
0x410: (9, 19), 0x418: (19, 8), 0x420: (8, 10),
0x428: (10, 17), 0x430: (17, 9), # ISR3
0x2D0: (18, 8), 0x2D8: (9, 10), 0x2E0: (28, 17),
0x2E8: (6, 18), 0x2F0: (8, 9), 0x2F8: (10, 28),
0x300: (17, 6), # ISR2
}
# ISR3 的 SB 测试用了未保存的 t1/t3/s2 -> 改成 ISR3 自己保存的 s4/s5/s6
# addr -> (要改的域, 原寄存器号, 新寄存器号)
T1, T3, S2, S4, S5, S6 = 6, 28, 18, 20, 21, 22
FIX_ISR3_SB = {
0x358: ('rd', T1, S4), 0x35C: ('rd', T3, S5),
0x364: ('rd', S2, S6), 0x368: ('rs1', T1, S4),
0x378: ('rs2', S2, S6), 0x37C: ('rd_rs1', T1, S4),
0x380: ('rd_rs1', T3, S5), 0x384: ('rs1', T3, S5),
0x388: ('rd', T3, S5), 0x38C: ('rd', T1, S4),
0x390: ('rs1', T1, S4), 0x3A0: ('rd_rs1', T1, S4),
0x3A4: ('rd_rs1', T3, S5), 0x3A8: ('rs1', T3, S5),
}
def read_hex(path):
words = []
with open(path, encoding="ascii") as f:
for line in f:
line = line.split("//")[0].strip()
if line:
words.append(int(line, 16))
return words
def patch(words):
"""返回 (适配后的字表, 适配后的快版字表, 统计信息)。"""
halt_sites = [i for i in range(len(words) - 1)
if words[i] == HALT_LOAD and words[i + 1] == ECALL]
if len(halt_sites) != 3:
raise SystemExit("预期 3 处 'addi a7,zero,10 + ecall'（ISR 停机点），"
"实际找到 %d 处；输入文件不是预期的原始镜像？" % len(halt_sites))
disp_sites = [i for i in range(len(words) - 1)
if words[i] == DISP_LUI
and words[i + 1] in (DISP_SW, DISP_SB_BAD)]
if len(disp_sites) != 11:
raise SystemExit("预期 11 处 'lui a7,1 + sw/sb a0,0(a7)'（显示点），"
"实际找到 %d 处；输入文件不是预期的原始镜像？" % len(disp_sites))
bad_store = [i for i in disp_sites if words[i + 1] == DISP_SB_BAD]
for i in halt_sites:
words[i] = NOP
words[i + 1] = NOP
# plain 变体：只去掉停机 ecall，显示保持原来的 "lui + sw" 两字写法
# （必须在把显示点改成 jal 之前取副本，否则会生成“跳到没有函数体的地址”的镜像）
plain = list(words)
# DISP_DLY 紧跟在原程序的最后一条指令之后（原程序长度不变）
disp_pc = 4 * len(words)
isr_pc = disp_pc + 32 # ISR 专用的 DISP_DLY_ISR 再占 8 字
isr_sites = []
for i in disp_sites:
if i >= ISR1_WORD:
# 三个 ISR 里的显示点：改用 a0 做链接寄存器、显示值走 a7
# 注意 jal 落在显示点的后一条（i+1）上，偏移要相对它自己算
isr_sites.append(i)
words[i] = enc_i(0, A0, 0, A7) # add a7, a0, zero
words[i + 1] = enc_j(isr_pc - 4 * (i + 1), A0) # jal a0, DISP_DLY_ISR
else:
# 主程序里的显示点：照旧用 ra 链接
words[i] = enc_j(disp_pc - 4 * i, RA)
words[i + 1] = NOP
if not isr_sites:
raise SystemExit("没有找到 ISR 里的显示点；中断入口地址对不上？")
# 自检：把刚写进去的 jal 偏移反解出来，确认真的跳到两个例程的入口
def jal_target(w, pc):
imm = (((w >> 31) & 1) << 20) | (((w >> 21) & 0x3FF) << 1) \
| (((w >> 20) & 1) << 11) | (((w >> 12) & 0xFF) << 12)
if imm & 0x100000:
imm -= 0x200000
return pc + imm
for i in disp_sites:
if i >= ISR1_WORD:
want, at = isr_pc, 4 * (i + 1) # ISR：jal 在显示点后一条
else:
want, at = disp_pc, 4 * i # 主程序：jal 就在显示点上
got = jal_target(words[at // 4], at)
if got != want:
raise SystemExit("显示点 0x%03X 的跳转目标算错了：0x%03X != 0x%03X"
% (4 * i, got, want))
for idx, want in ISR_ENTRY.items():
if words[idx] != want:
raise SystemExit("中断入口 0x%03X 处的指令被改动了（%08X != %08X）"
% (4 * idx, words[idx], want))
# --- 4) 修正 ISR2 / ISR3 的现场恢复顺序（只改 lw 的 rd 域） ---
fixed_pops = 0
for pc, (bad_rd, rd) in FIX_POPS.items():
w = words[pc // 4]
op, f3 = w & 0x7F, (w >> 12) & 7
rs1, imm = (w >> 15) & 0x1F, (w >> 20) & 0xFFF
old_rd = (w >> 7) & 0x1F
if not (op == 0x03 and f3 == 2 and rs1 == SP and imm == 0):
raise SystemExit("0x%03X 不是预期的 `lw X,0(sp)`（%08X）" % (pc, w))
if old_rd == rd:
continue # 已经是对的（重复运行时跳过）
if old_rd != bad_rd:
raise SystemExit("0x%03X 的目标寄存器不是预期的 %d（实际 %d）"
% (pc, bad_rd, old_rd))
words[pc // 4] = (w & ~(0x1F << 7)) | (rd << 7)
fixed_pops += 1
# --- 5) 把 ISR3 SB 测试里的 t1/t3/s2 换成 s4/s5/s6 ---
def set_field(w, name, val):
if name == 'rd':
return (w & ~(0x1F << 7)) | (val << 7)
if name == 'rs1':
return (w & ~(0x1F << 15)) | (val << 15)
if name == 'rs2':
return (w & ~(0x1F << 20)) | (val << 20)
if name == 'rd_rs1':
return ((w & ~(0x1F << 7)) | (val << 7)) & ~(0x1F << 15) | (val << 15)
raise SystemExit('未知域 ' + name)
fixed_sb = 0
for pc, (field, old, new) in FIX_ISR3_SB.items():
w = words[pc // 4]
idx = {'rd': (w >> 7) & 0x1F, 'rs1': (w >> 15) & 0x1F,
'rs2': (w >> 20) & 0x1F}
if field == 'rd_rs1':
cur = idx['rd']
if idx['rs1'] != cur:
raise SystemExit('0x%03X 的 rd/rs1 不一致' % pc)
else:
cur = idx[field]
if cur == new:
continue # 已经改过了
if cur != old:
raise SystemExit('0x%03X 的 %s 不是预期的 %d（实际 %d）'
% (pc, field, old, cur))
words[pc // 4] = set_field(w, field, new)
fixed_sb += 1
slow = disp_dly(enc_u(DELAY_NEG_HI, T2)) + disp_dly_isr(enc_u(DELAY_NEG_HI, T2))
fast = disp_dly(enc_i(DELAY_FAST_NEG, ZERO, 0, T2)) \
+ disp_dly_isr(enc_i(DELAY_FAST_NEG, ZERO, 0, T2))
return (words + slow, words + fast, plain,
(halt_sites, disp_sites, disp_pc,
[i for i in disp_sites if i < ISR1_WORD], isr_sites,
bad_store, fixed_pops, fixed_sb))
def write_hex(path, words):
with open(path, "w", encoding="ascii", newline="\n") as f:
for w in words:
f.write("%08X\n" % w)
def write_vh(path, words, src_name, total, note):
with open(path, "w", encoding="utf-8", newline="\n") as f:
f.write(" // 由 tools/adapt_intrupt_ccab.py 生成 —— 不要手改\n")
f.write(" // source: %s（%d 字，其余地址填 NOP）\n"
% (src_name, len(words)))
f.write(" // %s\n" % note)
for addr in range(total):
w = words[addr] if addr < len(words) else NOP
f.write(" rom[%d] = 32'h%08X;\n" % (addr, w))
def main():
if len(sys.argv) < 3:
raise SystemExit(__doc__.strip().split("用法")[-1])
src, dst_vh = sys.argv[1], sys.argv[2]
dst_fast = sys.argv[3] if len(sys.argv) > 3 else None
dst_plain = sys.argv[4] if len(sys.argv) > 4 else None
words = read_hex(src)
slow, fast, plain, (halt_sites, disp_sites, disp_pc, main_sites, isr_sites,
bad_store, fixed_pops, fixed_sb) = patch(words)
total = 1024
write_vh(dst_vh, slow, src, total,
"已适配：去掉 ISR 停机 ecall、显示改为 MMIO+DISP_DLY（约 10 ms）")
if dst_fast:
write_hex(dst_fast, fast)
if dst_plain:
write_hex(dst_plain, plain)
print("适配完成：%s（原程序 %d 字 + DISP_DLY %d 字 = %d 字）"
% (dst_vh, len(words), len(slow) - len(words), len(slow)))
print(" 去掉的停机 ecall 位置：%s"
% ", ".join("0x%03X" % (4 * i) for i in halt_sites))
print(" 换成显示调用的点：主程序 %s｜ISR %s"
% (", ".join("0x%03X" % (4 * i) for i in main_sites),
", ".join("0x%03X" % (4 * i) for i in isr_sites)))
print(" DISP_DLY 本体：0x%03X - 0x%03X（主程序用，链接在 ra）"
% (disp_pc, disp_pc + 28))
print(" DISP_DLY_ISR 本体：0x%03X - 0x%03X（ISR 用，链接在 a0，不碰 ra）"
% (disp_pc + 32, disp_pc + 60))
print(" 修正的现场恢复顺序：%d 条" % fixed_pops)
print(" ISR3 SB 测试改用的已保存寄存器：%d 条" % fixed_sb)
if bad_store:
print(" 顺带修正的字节写显示：%s"
% ", ".join("0x%03X" % (4 * i) for i in bad_store))
print(" 中断入口（不变）：0x0AC / 0x1E4 / 0x308")
if dst_fast:
print(" 仿真快版：%s（延时约 0.6 us）" % dst_fast)
main()
pipelined-cpu/tools/check_rtl_text.ps1
+98
View File
@@ -0,0 +1,98 @@
# =============================================================================
# check_rtl_text.ps1 —— detect stray non-Verilog text in the RTL sources.
#
# WHY: this project's .v files were twice corrupted by a text tool that inserted a
# line of README prose into them ("Tcl ..." / a Chinese sentence), which made
# Vivado fail with
# ERROR: [Synth 8-2715] syntax error near "..." 'non-printable character 0xe4'
# and produced a cascade of bogus errors in the included ROM .vh. Running this
# script takes a second and catches it before spending a synthesis run.
#
# WHAT IT CHECKS
# 1) a line inside .v/.vh/.xdc that has non-ASCII characters *outside* a comment
# (i.e. real code position) -> corruption;
# 2) a line that looks like pasted prose/markdown (leading "|", "**", or a line
# that is bare text after `endmodule`).
#
# USAGE (from the repository root or from pipelined-cpu/):
# powershell -ExecutionPolicy Bypass -File pipelined-cpu\tools\check_rtl_text.ps1
# Exit code 0 = clean, 1 = found something.
# =============================================================================
param(
# -Fix: 自动删除"整行都是粘贴进来的正文"的坏行（保守：只删不含 ; ( ) = 等代码标点的整行）。
# 被部分覆盖的行（例如某个端口行被改坏）只报告，需手工或 git 修。
[switch]$Fix
)
$ErrorActionPreference = 'Stop'
$srcs = Join-Path (Split-Path -Parent $PSScriptRoot) 'srcs'
if (-not (Test-Path $srcs)) { Write-Output "ERROR: cannot find $srcs"; exit 2 }
$bad = 0
$files = Get-ChildItem -Recurse -Path $srcs -Include *.v, *.vh, *.xdc -File
foreach ($f in $files) {
$rel = $f.FullName.Substring($srcs.Length).TrimStart('\', '/')
# 用 .NET 按 UTF-8 读原始字节：PS 5.1 的 Get-Content 会按 GBK 解码，中文会乱。
# 按行切开时保留行尾（\r\n / \n），写回时逐字节保持原样，不归一化换行/编码/BOM。
$bytes = [System.IO.File]::ReadAllBytes($f.FullName)
$text = [System.Text.Encoding]::UTF8.GetString($bytes)
$lines = @([regex]::Split($text, "(?<=\n)"))
$drop = @()
for ($i = 0; $i -lt $lines.Count; $i++) {
$line = $lines[$i].TrimEnd("`r", "`n")
$lineNo = $i + 1
# ---- 只去掉 // (或 .xdc 的 #) 之后的部分，其余按代码位置检查 ----
# 注意：这里不处理 /* */ 块注释（srcs 里没有块注释，之前因此漏报过坏行）
$code = $line
if ($f.Extension -eq '.xdc') {
$h = $code.IndexOf('#'); if ($h -ge 0) { $code = $code.Substring(0, $h) }
}
else {
$c = $code.IndexOf('//'); if ($c -ge 0) { $code = $code.Substring(0, $c) }
}
# 字符串字面量里的中文是合法的（如 $display("中文")），先去掉再判断
$code = $code -replace '"[^"]*"', '""'
$trim = $line.Trim()
# ---- check 1: non-ASCII in code position ----
if ($code -match '[^\x00-\x7F]') {
# 整行只有正文（不含 ; ( ) = ` ' " 之类代码标点）⇒ 可以安全整行删掉
$onlyProse = ($trim -notmatch '[;()=`''"]')
$tag = if ($onlyProse) { ' [整行正文，可用 -Fix 删掉]' } else { ' [部分覆盖，需手工/git 修]' }
Write-Output ("!! $rel`:$lineNo non-ASCII text in code position${tag}:")
Write-Output (" " + $trim)
if ($Fix -and $onlyProse) { $drop += $i }
$bad++
continue
}
# ---- check 2: pasted prose / markdown leftovers ----
if ($trim -match '^\||^\*\*|^#[^0-9#]' -and $f.Extension -ne '.xdc') {
Write-Output ("!! $rel`:$lineNo looks like pasted prose:")
Write-Output (" " + $trim)
$bad++
}
}
if ($Fix -and $drop.Count -gt 0) {
$kept = for ($i = 0; $i -lt $lines.Count; $i++) { if ($drop -notcontains $i) { $lines[$i] } }
[System.IO.File]::WriteAllText($f.FullName, ($kept -join ''), (New-Object System.Text.UTF8Encoding($false)))
Write-Output (" -Fix: 已从 $rel 删除 " + $drop.Count + " 行（编码/换行保持不变），请重跑自检确认")
}
}
Write-Output ""
Write-Output ("scanned " + $files.Count + " files under srcs/")
if ($bad -eq 0) {
Write-Output "RTL text check: OK (no stray non-Verilog text found)."
exit 0
}
Write-Output ("RTL text check: FAILED, " + $bad + " suspicious line(s) - fix them before synthesis.")
Write-Output "Hint1: 这类行通常是编辑器/工具粘贴进来的正文；整行正文可以用 -Fix 删掉："
Write-Output " powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\check_rtl_text.ps1 -Fix"
Write-Output "Hint2: 若报的是 [部分覆盖]，对照 git diff 手工修（被编辑器保存覆盖时，先关掉那个标签页再改）。"
exit 1
pipelined-cpu/programs/rars_f0c874c.jar → pipelined-cpu/tools/rars_f0c874c.jar
View File
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())