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f50639e90f
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f50639e90f |
+18
@@ -1 +1,19 @@
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# Vivado 工程生成物不入库；源文件都在 pipelined-cpu/ 下（srcs/、tools/、programs/）
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pipelined-cpu/*
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pipelined-cpu/*
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!pipelined-cpu/srcs/
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!pipelined-cpu/tools/
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!pipelined-cpu/programs/
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!pipelined-cpu/create_project.tcl
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# 本地临时目录（仿真脚本、日志、中间文件）
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_tmp/
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_vivado/
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# 仿真/综合中间产物
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*.vcd
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*.pb
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*.hex.lst
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.Xil/
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# saolei 的构建产物（tools/build.ps1 一键重建，不入库）
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saolei/build/
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@@ -0,0 +1,402 @@
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# `cpu21-riscv-4.circ` 的 Verilog 实现
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处理器顶层文件：`pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v`
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该设计对应原电路中的“重定向流水线+中断+分支预测”部分，顶层模块为
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`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`。为便于单独仿真与调试，各功能单元已拆分为
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独立文件，顶层的 ALU、BPB 也已移出，具体见文末“文件与模块划分”。
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## 目录结构
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```text
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risc-v/
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├─ README.md 本文档
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├─ pipelined-cpu/ Vivado 工程目录（也是源文件所在地）
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│ ├─ create_project.tcl 一键重建工程的 Tcl 脚本
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│ ├─ 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）
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│ │ 外设：cpu21_mmio.v（MMIO 中枢）、cpu21_vga.v（显示）、
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│ │ cpu21_seg7.v（数码管）、cpu21_pointer.v（按键当鼠标）、
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│ │ cpu21_ps2_mouse.v（可选 PS/2 鼠标）
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│ ├─ srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层（时钟分频 + 片内 ROM/RAM + 引脚）、片内 ROM 初始化
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│ ├─ srcs/constrs/*.xdc 引脚与分频时钟约束（+ Nexys4DDR 母版）
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│ ├─ srcs/tb/*.v 三个测试平台
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│ ├─ srcs/rom/*.hex 测试平台加载的 ROM 镜像
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│ ├─ tools/ rv_asm.py（迷你汇编器）、hex2vh.py（hex → ROM 初始化）、run_regress.ps1（一键回归）
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│ └─ programs/ 汇编源程序、期望值、课程原始资产（RARS）
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└─ saolei/ 纯 C 扫雷（MMIO 显示 + 中断读鼠标），见下文
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├─ sw/ C 源码 + 链接脚本（三个固定中断入口）
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└─ tools/ build.ps1（C → ROM）、check_isa.py（指令白名单校验）
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```
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**仓库里不放任何 Vivado 生成物**（`.xpr`、`.runs`、`.sim`、`.cache`、`.hw`、
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`.ip_user_files`、`.Xil`、`vivado.jou/log` 本地已清理干净）：需要工程时用
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`source create_project.tcl` 一键重建，这样仓库始终是最清爽的源文件状态。
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约定：git 只跟踪 `pipelined-cpu/` 下的源文件（`srcs/`、`tools/`、`programs/`、
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`create_project.tcl`），Vivado 生成物（`*.xpr`、`*.runs`、`*.sim`、`*.cache`…）由
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`.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/`、
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`srcs/constrs/`；测试平台与 ROM 镜像在 `srcs/tb/`、`srcs/rom/`（镜像是按 MMIO 写 LED
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修改过的版本，课程原始程序与 RARS 输出保留在 `programs/`）。
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## 已转换的功能
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- 五级流水：IF、ID、EX、MEM、WB。
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- EX/MEM 与 MEM/WB 前递，以及 load-use 一拍停顿。
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- 条件分支 `beq`、`bne`、`blt`/`bge`（有符号）、`bltu`/`bgeu`（无符号）在 EX 段判定，错误预测时清空 IF/ID、ID/EX 并重定向 PC。真值表中 BLT 的 `ALU_OP` 为 SLT，与实现一致。
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- `jal`、`jalr` 在 EX 段重定向，返回地址写回 `rd`。
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- 8 项全相联 BPB：标签 `PC[11:2]`，每项包含 valid、目标 PC、2 位饱和计数器和 3 位年龄字段。BPB 只由条件分支更新，避免 `jal`、`jalr` 占用不会被查询的表项；未命中时优先使用无效项，否则替换年龄最大的项。
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- 三路中断输入 `irq_i[2:0]`：两级同步、上升沿挂起、IRQ3 > IRQ2 > IRQ1 优先级，仅在 `ustatus[0]`（MIE）允许时响应。
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- 支持嵌套中断：保存 EPC、`ustatus` 和当前优先级；`URET` 使用当前 `uepc` 返回，并从硬件栈恢复外层上下文。三个入口按照原电路的 `INTpc` 选择：IRQ1=`0x30ac`、IRQ2=`0x31e4`、IRQ3=`0x3310`。`0x22` 是 `ecall` 的服务号 34，不是中断向量。
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- CSRRSI、CSRRCI，以及 CSRRW：支持 CSR 地址 `0x004`（`ustatus`）和 `0x041`（`uepc`）。立即数为 `IR[19:15]` 的零扩展值，并按 RISC-V 规则把旧 CSR 值写回 `rd`；这覆盖任务书中的 `csrrsi s6,0x41,0` 和 `csrrw zero,0x41,s6` 用法。
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- `ecall`：停机和调试用。`a7 == 34` 是历史遗留的“显示”调用，现已保留为无操作；其余取值（例如程序结尾惯用的 `a7 = 10`）置 `halted_o`，直到 `go_i` 为高。LED 显示改由 MMIO 存储完成（见下文“MMIO 与外设”）。
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- `sw` 和 `sb`：输出 `data_wstrb_o`，支持按字节写入。
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- `lui`：加载高位立即数，`rd = imm[31:12] << 12`（按需求补充的扩展指令，标准 opcode `0x37`）。
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- `sltiu`：I 型 `funct3=011`，立即数符号扩展后按无符号与 rs1 比较。
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- M 扩展乘法（`funct7=0000001`）：`mul`（乘积低 32 位）、`mulh`（有符号×有符号高 32 位）、`mulhsu`（有符号×无符号高 32 位）、`mulhu`（无符号×无符号高 32 位）。
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- M 扩展除法：课程真值表里的 `divu`（`funct3=101`，无符号商）与 `remu`（`funct3=111`，无符号余数）。
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以上六条乘法/除法指令都由 **多周期单元** `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_muldiv.v` 完成（见“时序和使用说明”第 7 条），
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而不是组合逻辑。
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## 指令编码
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表中的 `opcode` 是控制器使用的五位字段 `IR[6:2]`，不是包含最低两位的 7 位原始 opcode。
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因此它与标准 RISC-V 指令的低 7 位 opcode 相差右移两位。
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| 指令类别 | opcode | 说明 |
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| ----------------------------------------------- | -----: | ----------------------------------------------------------------------------------- |
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| R 型 | `0x0c` | add/sub/and/or/xor/slt/sltu/sll/srl/sra |
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| M 扩展（R 型） | `0x0c` | `funct7=0000001`：mul/mulh/mulhsu/mulhu、divu（`funct3=101`）、remu（`funct3=111`） |
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| I 型 ALU | `0x04` | addi/andi/ori/xori/slti/sltiu/slli/srli/srai |
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| `lui`（扩展） | `0x0d` | 加载高位立即数，`rd = imm[31:12] << 12` |
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| `lw` | `0x00` | `funct3=010` |
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| `sw` / `sb` | `0x08` | `funct3=010` / `000` |
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| `beq` / `bne` / `blt` / `bge` / `bltu` / `bgeu` | `0x18` | `funct3=000` / `001` / `100` / `101` / `110` / `111` |
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| `jal` | `0x1b` | J 型立即数 |
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| `jalr` | `0x19` | `funct3=000` |
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| 系统类 | `0x1c` | `ecall`、`URET`、CSRRSI、CSRRCI |
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`ecall` 和 `URET` 都是 `opcode=0x1c、funct3=0`，由 `IR[21]` 区分：
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`IR[21]=0` 是 `ecall`，`IR[21]=1` 是 `URET`。这一点来自原控制器中的 `IR21` 分支逻辑。
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## MMIO 与外设
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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。
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这些地址都在 4 KB 数据 RAM（`0x0000`–`0x0FFC`）之外，因此不会与 RAM 冲突。
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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）。
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| 地址 | 外设 | 写 | 读 |
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| ---------------------- | -------------- | ---------------------------------------------------------------------------- | -------------------------- |
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| `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 |
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| `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 |
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| `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） |
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| `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） |
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| `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 |
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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
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"跳到关卡入口"；`MAGIC`（`0xCAFE0001`/`0xCAFE0002`）可以读来自检 MMIO 是否活着。
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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
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中断线自动回 0，因此不会丢事件。
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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，
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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
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访问外部 RAM；读数据由 `cpu21_mmio` 的输出在顶层与 `data_rdata_i` 做选择。
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典型用法（LED 写 `0x12345678`，可用 `pipelined-cpu/tools/rv_asm.py` 汇编）：
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```asm
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lui t0, 0x1 # t0 = LED_ADDR = 0x00001000
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lui t1, 0x12345
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addi t1, t1, 0x678 # t1 = 0x12345678
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sw t1, 0(t0) # MMIO 写 LED -> LED 输出 12345678
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lw a0, 0(t0) # MMIO 读回
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```
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`pipelined-cpu/programs/mmio_test.asm`（期望值见 `mmio_test.expected`）覆盖了
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全字写、读回、字节写三种情况。加入新外设（拨码开关、UART 等）时只需在
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`pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v` 里扩展地址译码，处理器流水线无需改动。
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## 顶层端口约定
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- `instr_i`：当前 `instr_addr_o` 对应的 32 位指令。原 Logisim 中由 ROM 提供。
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- `data_rdata_i`：当前 `data_addr_o` 的读数据。原 Logisim 中由 MIPS RAM 提供。
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- `data_addr_o`、`data_wdata_o`、`data_wstrb_o`、`data_we_o`：数据存储器接口。地址按字节地址输出；若使用原 32 位 RAM，可用 `data_addr_o[11:2]` 作为字地址。
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- `irq_i[0]`、`irq_i[1]`、`irq_i[2]`：1、2、3 号中断源；输入应为脉冲或边沿信号，模块内部会同步并锁存挂起状态。
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- `go_i`：对应原电路的“继续运行”按键。
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- `if_pc_o`、`id_pc_o`、`ex_pc_o`、`mem_pc_o`、`wb_pc_o`：五级流水当前保存的 PC，气泡时输出 0，便于替代原电路的调试探针。
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- `rdin_o`、`mdin_o`、`reg_write_o`、`mem_write_o`：对应原电路的寄存器写回和存储器写调试输出。
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- `cycle_count_o`、`stall_count_o`、`bubble_count_o`、`conditional_taken_count_o`、`unconditional_branch_count_o`、`prediction_success_count_o`、`prediction_failure_count_o`：对应原电路和课程要求的周期、停顿/气泡、分支和动态预测统计量。
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## 时序和使用说明
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1. `reset` 为高时异步清空流水线、寄存器文件、BPB、挂起中断和中断栈，PC 置为 `RESET_PC`；`ustatus` 复位为参数 `USTATUS_INIT`，默认 `0x0000_0001`（MIE 上电即使能）。这样做的原因是课程的中断测试程序只在中断处理程序的“保护现场”之后写 MIE，主流程不会开中断；若不默认使能，第一次中断只会挂在 `irq_pending_o` 上而永不响应。参数可覆盖，例如把 `USTATUS_INIT` 设为 `32'h0` 即可恢复“上电关中断”的行为。
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2. 指令存储器按组合读处理；数据存储器读数据在一个 MEM 周期内返回。若 RAM 为同步读，需要在外部增加一级数据寄存或相应调整 MEM/WB。
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3. 响应中断时允许当前 EX 指令完成，并保存下一条尚未执行指令的 PC；若 EX 是已正确预测的跳转分支，则保存实际目标地址。EX 为空时优先保存 IF/ID 中尚未执行的 PC。这样 `URET` 不会重复执行已经提交的存储或寄存器写操作。
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4. 默认 BPB 新表项采用弱不跳转/弱跳转状态：首次更新为不跳转时计数器为 `01`，首次更新为跳转时为 `10`；命中后按 2 位饱和规则增减。
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5. `bpb_predict_hit_o`、`bpb_predict_taken_o`、`bpb_mispredict_o` 和 `irq_*_o` 是观测端口，不参与外部控制，可以直接接逻辑分析仪或测试平台。
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6. `cycle_count_o` 在 `halted_o` 为高时暂停；load-use 每次计入一个气泡，重定向或中断清空 IF/ID 与当前 IF 时计入两个气泡。
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7. 乘除法是多周期指令：结果算完之前 `ex_md_stall` 有效，ID/EX 保持（指令继续占用 EX）、EX/MEM 插气泡、取指/译码冻结，同时屏蔽中断（避免结果未定型就写回）。一次乘/除共占用 34 拍（1 拍装载 + 32 拍迭代 + 1 拍定型），这些等待周期也计入 `stall_count_o` / `bubble_count_o`。乘除法迭代期间不会把错误值写进 rd，也不会因为中断被打断。
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原 `.circ` 文件中的 ROM、MIPS RAM、按钮、LED 和调试显示器属于 Logisim 外围，不直接搬入 RTL；其功能分别由指令接口、数据接口、`go_i`、MMIO（`led_data_o`/`led_valid_o`）和调试端口替代。
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## 文件与模块划分
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| 文件 | 模块 | 职责 |
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| --------------------------------------------------------- | --------------------------------- | ---------------------------------------------------------------------------------- |
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| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v` | `cpu21_riscv_redirect_int_bpb` | 顶层：五级流水寄存器、子模块例化、PC/IF-ID/ID-EX 控制、对外输出 |
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| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_alu.v` | `cpu21_riscv_alu` | 组合 ALU（加减/移位/逻辑/比较，不做乘除） |
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| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_muldiv.v` | `cpu21_riscv_muldiv` | 多周期乘除法单元：32 拍移位迭代，mul/mulh/mulhsu/mulhu/divu/remu |
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| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_bpb_8.v` | `cpu21_bpb_8` | 8 项全相联分支目标缓冲（2 位饱和计数器 + 近似 LRU） |
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| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_decoder.v` | `cpu21_riscv_decoder` | ID 级组合译码器（操作码`IR[6:2]`） |
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| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_regfile.v` | `cpu21_riscv_regfile` | 寄存器堆，`x0` 恒为 0，同周期 WB 写优先旁路 |
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| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_forward_unit.v` | `cpu21_riscv_forward_unit` | EX 级前递网络（EX/MEM 优先于 MEM/WB） |
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| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_store_unit.v` | `cpu21_riscv_store_unit` | EX 级存储数据对齐：`sw`/`sb` 的写数据与字节写掩码 |
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| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_branch_unit.v` | `cpu21_riscv_branch_unit` | EX 级控制流裁决：分支方向/目标、JAL/JALR 重定向 |
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| `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 |
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| `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 |
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| `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 |
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| `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 |
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| `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 |
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| `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） |
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| `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） |
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| `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 |
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| `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 |
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| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh` | — | 扫雷程序的 ROM 初始化（由 `saolei/tools/build.ps1` 生成） |
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| `pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc` | — | Nexys4DDR 引脚约束 + 分频时钟（`create_generated_clock`） |
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| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh` | — | 片内 ROM 内容（生成文件，`rom[i] = 32'h…;`） |
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| `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） |
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| `pipelined-cpu/srcs/tb/tb_no_intr.v` | `tb_no_intr` | 无中断测试平台（指令集/MMIO 测试，默认加载 benchmark 镜像） |
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| `pipelined-cpu/srcs/tb/tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v` | `tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb` | 中断与分支预测测试平台（默认加载中断测试镜像） |
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| `pipelined-cpu/tools/rv_asm.py` | — | 迷你汇编器：`.asm` → 机器码 hex（`.lst` 带反汇编清单） |
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| `pipelined-cpu/tools/hex2vh.py` | — | hex →`pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh`（`rom[i] = 32'h…;` 初始化语句） |
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拆分只调整了模块边界与文件组织，端口、时序与行为完全等价：使用同一 ROM 程序
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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
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跳转、预测成败）完全一致。
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## 上板（Nexys4DDR + Vivado）
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处理器顶层 `cpu21_riscv_redirect_int_bpb` 有 775 位调试端口（各级 PC/IR、计数器、
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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
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`[Place 30-415] IO Placement failed due to overutilization`（占用 775 个 IO，
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而 `xc7a100tcsg324-1` 只有 210 个）。因此上板时用 `cpu21_board_top` 作为顶层，
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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），
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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。
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### 引脚分配（`cpu21_board_top.xdc`）
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| 端口 | 引脚 | 板上元件 | 说明 |
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| ------------- | ----------- | ------------------------- | ---------------------------------------------- |
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| `clk100` | E3 | 100 MHz 晶振 | 经`CLK_DIV` 分频后给 CPU |
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| `rst_n` | C12 | 按键 CPU_RESETN（低有效） | 异步置位、与 CPU 时钟同步释放 |
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| `go` | N17 | 按键 BTNC | 对应原电路“继续运行”（`ecall` 停机后恢复执行） |
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| `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） |
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| `led[15:0]` | H17…V11 | LED0–LED15 | MMIO（`LED_ADDR`）写入值的低 16 位 |
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| `led_we` | R12 | LED16_B | MMIO 写入指示，每写一次拉长约 2.7 s |
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### 时钟：为什么还保留 2 分频
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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、
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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。
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现在乘除法改成了 `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_muldiv.v` 里的 **32 拍迭代多周期单元**，关键路径上
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不再有组合乘/除，也不需要再分频了；但把所有加法器/比较器都换成迭代后，在 100 MHz
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下仍有约 1.1 ns 的违例——那是 **EX 级“分支判决 / 中断保存 → BPB 更新”这条与乘除法
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无关的组合路径**（逻辑只占约 3 ns，剩下 7~8 ns 全是布线）。
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因此在 `cpu21_board_top` 里保留一个参数化的分频器 `CLK_DIV`，默认取 **2（50 MHz，
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周期 20 ns）**，既比原来的 16 分频快 8 倍，又留出充足余量：
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| 配置 | CPU 时钟 | 实测 WNS（xc7a100tcsg324-1） | 说明 |
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| ------------ | -------- | ---------------------------- | ------------------------------------- |
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| `CLK_DIV=1` | 100 MHz | -1.1 ns ✗ | 违例路径与乘除法无关（分支/中断/BPB） |
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| `CLK_DIV=2` | 50 MHz | **+5.1 ns** ✓ | 默认，余量约 25% |
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| `CLK_DIV=16` | 6.25 MHz | +6.1 ns ✓ | 改造前的设置，现在没必要了 |
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分频后的时钟在综合/实现时由 Vivado 自动插入 BUFG 走全局时钟网络（RTL 里不例化
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`BUFG` 原语，这样在不认识 Xilinx 原语的仿真器里也能直接仿真）。XDC 中必须用
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`create_generated_clock` 声明这个分频时钟，否则时序分析会按 10 ns 去要求 CPU
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内部路径而误报大量违例：
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```tcl
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create_generated_clock -name cpu_clk -source [get_ports { clk100 }] \
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-divide_by 2 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
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```
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改分频比时 RTL 的 `CLK_DIV` 与 XDC 的 `-divide_by` 要同时改。
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### 片内 ROM / RAM
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- ROM：`ROM_WORDS = 1024` 字（4 KB），组合读，取指地址 `instr_addr[11:2]`；
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内容由 `` `include "cpu21_board_rom.vh" `` 给出（与 `cpu21_board_top.v` 同目录，
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文件里是 1024 条
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`rom[i] = 32'h…;`，放在 `initial` 里，等价于 `$readmemh`，且不依赖文件路径）。
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- RAM：`RAM_WORDS = 1024` 字（4 KB），字节写使能 + 组合读，只响应
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`data_addr < 4 KB`，因此 MMIO 地址（默认 `0x1000`）不会落进 RAM。
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- 两个 `initial` 块都用 NOP（`32'h0000_0013`）或 0 预填充，ROM 未使用区域是 NOP，
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这样即使程序跑飞也不会执行到随机指令而乱写寄存器。
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### 演示程序的生成与仿真
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```powershell
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# 在工程目录 pipelined-cpu/ 下执行：
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# 1) 汇编 + 生成 ROM 初始化文件
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python tools/rv_asm.py programs/board_demo.asm _tmp/board_demo.hex
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python tools/hex2vh.py _tmp/board_demo.hex srcs/board/cpu21_board_rom.vh 1024
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# 2) 上板顶层的 RTL 仿真（默认程序延时约 20 ms，只需确认第一次写入 LED=0001）
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xvlog srcs/rtl/*.v srcs/board/cpu21_board_top.v srcs/tb/tb_board_top.v
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xelab -top tb_board_top -snapshot board_sim
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xsim board_sim -tclbatch run_quit.tcl
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```
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`board_demo.asm` 是一段 16 步跑马灯（`0001 → 0002 → … → 8000 → 0001`），
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每步之间用软件循环延时约 20 ms（50 MHz 下）。仓库里同时提供了两份 ROM 初始化
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文件，由 `BOARD_ROM_FAST` 宏选择（综合流程不会定义该宏）：
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| 文件 | 用途 | 每步耗时 |
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| -------------------------------------------------- | ------------------------------ | -------- |
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| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh` | 综合/上板（默认） | 约 20 ms |
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| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom_fast.vh` | 仅仿真：一次跑完整个跑马灯序列 | 2.6 µs |
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```powershell
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# 快速版仿真：编译时加上 -d BOARD_ROM_FAST（xvlog 与 xelab 都要带）
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xvlog -d BOARD_ROM_FAST srcs/rtl/*.v srcs/board/cpu21_board_top.v srcs/tb/tb_board_top.v
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xelab -top tb_board_top -snapshot board_sim_fast -d BOARD_ROM_FAST
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```
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两份 ROM 初始化文件由 `programs/board_demo.asm`（默认，≈ 20 ms/步）与
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`programs/board_demo_fast.asm`（快速版，≈ 2.6 µs/步，只差延时循环的初值）生成：
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```powershell
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python tools/rv_asm.py programs/board_demo_fast.asm _tmp/board_demo_fast.hex
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|
python tools/hex2vh.py _tmp/board_demo_fast.hex srcs/board/cpu21_board_rom_fast.vh 1024
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```
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### Vivado 工程设置与实现结果
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Vivado 工程 `pipelined-cpu/pipelined-cpu.xpr` 被 `.gitignore` 排除，需要手动设置：
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1. `sources_1` 顶层设为 `cpu21_board_top`（纯 RTL 仿真时也可切回
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`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`）；
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2. 加入 `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v`、`pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc`，
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`pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh` 的文件类型设成 `Verilog Header`（不能当普通源码，
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否则会被当成顶层候选）；
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3. 三个 testbench 放在**仿真 fileset**（`sim_1` 顶层 `tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb`、
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`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”
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导致的 `[Place 30-494] The design is empty`。
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`xc7a100tcsg324-1` 上的实现结果（乘除法改为多周期单元、`CLK_DIV=2` = 50 MHz）：
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| 项目 | 结果 |
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| -------- | -------------------------------------------------------------------------------------------- |
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| 综合 | `synth_design Complete!` |
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| 实现 | `route_design Complete!`、`write_bitstream Complete!`，`WNS = +5.109 ns`（无 Failed Timing） |
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| 资源 | LUT 3420 (5.39%)、FF 2507、**DSP 0**（组合乘法器已消失）、IOB 23 (10.95%) |
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| bit 文件 | `pipelined-cpu/pipelined-cpu.runs/impl_1/cpu21_board_top.bit` |
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对比改造前（组合乘除法 + `CLK_DIV=16`）：LUT 5400 → 3420、DSP 12 → 0、
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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。
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上板操作：用 Vivado 打开工程 → `Open Hardware Manager` → `Program Device`，选上述
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`.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
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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。
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## 扫雷程序（`saolei/`）
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`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，
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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：
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- **三段中断入口**（地址由 `saolei/sw/linker.ld` 定死，与顶层 `IRQ1/2/3_VECTOR` 成对）：
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IRQ1=`0x100` 关卡（游戏）程序、IRQ2=`0x200` 鼠标读取、IRQ3=`0x300` 备用；
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- **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
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→ 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；
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- **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`；
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- **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、
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索引全用移位、且不含 `.data`/`.rodata`（链接脚本用 `ASSERT` 兜住）；
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- **构建**：`saolei/tools/build.ps1`（C → ELF → `.hex` + `cpu21_saolei_rom.vh`），
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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；
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- **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。
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## 回归测试
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工程里带了一个 xsim 回归脚本，在 `pipelined-cpu/` 目录下运行：
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```powershell
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powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\run_regress.ps1
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```
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它会按顺序做四件事：
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1. 编译 `srcs/rtl/` 下的处理器源码；
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2. 跑 4 个指令测试（`muldiv_test`、`isa_test`、`lui_test`、`mmio_test`），把测试平台
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打印的 LED 序列与 `programs/*.expected` 逐值比对；
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3. 跑两个流水基线（`tb_no_intr`、`tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb`），打印 FINAL 统计行；
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4. 跑板级顶层（`-d BOARD_ROM_FAST`），检查跑马灯 LED 序列。
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最后汇总 PASS/FAIL，并以失败数作为退出码。编译与仿真的中间文件都写在
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`%TEMP%\cpu21_regress` 下，不会污染工程目录；需要 `xvlog`/`xelab`/`xsim` 在 PATH 上。
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期望结果（2026-09，多周期乘除法 + `CLK_DIV=2`）：
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| 测试 | 期望 |
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| -------------------------------------------------- | ---------------------------------------------------------------------------- |
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| muldiv_test / isa_test / lui_test / mmio_test | 13 / 24 / 4 / 5 个 LED 值全部匹配 |
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| tb_no_intr（benchmark，5560 周期） | `stalls=1528 bubbles=1830 cond_taken=639 uncond=71 pred_ok=687 pred_fail=80` |
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| 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` |
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| 板级（快速 ROM） | 跑马灯 `0001 → … → 8000` 循环，每步约 2.6 µs |
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## 工程分享（Tcl 一键重建）
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`pipelined-cpu/` 已整理成“自包含 + 可直接分享”的工程目录，设计文件都在里面，
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别人拿到整个文件夹后**不需要改任何路径**：
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```text
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pipelined-cpu/
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├─ create_project.tcl 一键重建脚本（用 [info script] 定位自身目录）
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├─ srcs/rtl/*.v 处理器 RTL（13 个文件）
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├─ srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层、片内 ROM 初始化（含 __FAST 仿真版本）
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├─ srcs/constrs/*.xdc 引脚约束 + 板级母版
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├─ srcs/tb/*.v 三个测试平台
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├─ srcs/rom/*.hex 测试平台加载的 ROM 镜像
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├─ tools/、programs/ 迷你汇编器与测试程序（重生成 ROM 用）
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├─ cpu21_riscv_redirect_int_bpb说明.md
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└─ pipelined-cpu.xpr（+ *.runs/…） 本机工程，分享时可删
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```
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用法（在 Vivado Tcl Shell 里，或命令行 `vivado -mode batch -source create_project.tcl`）：
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```tcl
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cd <pipelined-cpu 所在目录>
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source create_project.tcl
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```
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脚本会就地创建 `pipelined-cpu.xpr`，并配好：
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- `sources_1` 顶层 `cpu21_board_top`（处理器 RTL + 板级顶层 + 片内 ROM 初始化，
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`cpu21_board_rom.vh` 标记为 `Verilog Header`）；
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- `constrs_1`：`cpu21_board_top.xdc`（引脚 + `CLK_DIV` 分频时钟）与板级母版；
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||||||
|
- `sim_1`（顶层 `tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb`）与 `sim_2`（顶层 `tb_no_intr`）；
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测试平台会依次探测 ROM 镜像，其中 `../../../../../srcs/rom/` 对应 GUI 仿真的
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工作目录（`<proj>.sim/sim_1/behav/xsim`），所以创建完就能直接 `Run Simulation`；
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- 两个仿真 fileset 的 `xsim.simulate.runtime` 设为 `all`，避免 GUI 仿真只跑 1000 ns
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就停下（看起来像卡死）。
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分享前建议删掉生成目录：`*.xpr`、`*.runs`、`*.sim`、`*.cache`、`*.hw`、`*.gen`、
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`*.ip_user_files`、`.Xil`。实测只带 `create_project.tcl` + `srcs/` + `pipelined-cpu/tools/` +
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`programs/` + 说明文档约 **0.3 MB**，在任意路径重建工程并综合成功。
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> 源文件只有一份，就在 `pipelined-cpu/srcs/`（`tools/`、`programs/` 同理），
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> 直接在工程目录里改即可，没有需要同步的副本。
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也可以用 Vivado 自动生成：
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```tcl
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write_project_tcl -force -paths_relative_to <工程目录> <工程目录>/create_project.tcl
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```
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注意自动生成的版本会把源路径写成**生成时的绝对路径**、并且要求 `origin_dir` 指向
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工程目录，所以要手动改两行才能给别人用：
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```tcl
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set origin_dir [file dirname [file normalize [info script]]]
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|
create_project ${_xil_proj_name_} $origin_dir -part xc7a100tcsg324-1
|
||||||
|
```
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@@ -1,60 +0,0 @@
|
|||||||
`timescale 1ns / 1ps
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`default_nettype none
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||||||
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// -----------------------------------------------------------------------------
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// ALU：纯组合运算单元。
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//
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// result 为主结果；result2 为第二结果，用于 MUL 的高 32 位与 DIVU 的余数。
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||||||
// 除法做了除零保护：b==0 时商为 32'hffff_ffff、余数为被除数。
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|
||||||
// -----------------------------------------------------------------------------
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||||||
module cpu21_riscv_alu (
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|
||||||
input wire [ 3:0] op,
|
|
||||||
input wire [31:0] a,
|
|
||||||
input wire [31:0] b,
|
|
||||||
output reg [31:0] result,
|
|
||||||
output reg [31:0] result2
|
|
||||||
);
|
|
||||||
localparam ALU_SLL = 4'd0;
|
|
||||||
localparam ALU_SRA = 4'd1;
|
|
||||||
localparam ALU_SRL = 4'd2;
|
|
||||||
localparam ALU_MUL = 4'd3;
|
|
||||||
localparam ALU_DIVU = 4'd4;
|
|
||||||
localparam ALU_ADD = 4'd5;
|
|
||||||
localparam ALU_SUB = 4'd6;
|
|
||||||
localparam ALU_AND = 4'd7;
|
|
||||||
localparam ALU_OR = 4'd8;
|
|
||||||
localparam ALU_XOR = 4'd9;
|
|
||||||
localparam ALU_NOR = 4'd10;
|
|
||||||
localparam ALU_SLT = 4'd11;
|
|
||||||
localparam ALU_SLTU = 4'd12;
|
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||||||
reg [63:0] mult_result;
|
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||||||
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||||||
always @* begin
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||||||
mult_result = a * b;
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||||||
result2 = 32'b0;
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||||||
case (op)
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||||||
ALU_SLL: result = a << b[4:0];
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||||||
ALU_SRA: result = $signed(a) >>> b[4:0];
|
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||||||
ALU_SRL: result = a >> b[4:0];
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|
||||||
ALU_MUL: begin
|
|
||||||
result = mult_result[31:0];
|
|
||||||
result2 = mult_result[63:32];
|
|
||||||
end
|
|
||||||
ALU_DIVU: begin
|
|
||||||
result = (b == 32'b0) ? 32'hffff_ffff : a / b;
|
|
||||||
result2 = (b == 32'b0) ? a : a % b;
|
|
||||||
end
|
|
||||||
ALU_ADD: result = a + b;
|
|
||||||
ALU_SUB: result = a - b;
|
|
||||||
ALU_AND: result = a & b;
|
|
||||||
ALU_OR: result = a | b;
|
|
||||||
ALU_XOR: result = a ^ b;
|
|
||||||
ALU_NOR: result = ~(a | b);
|
|
||||||
ALU_SLT: result = ($signed(a) < $signed(b)) ? 32'd1 : 32'd0;
|
|
||||||
ALU_SLTU: result = (a < b) ? 32'd1 : 32'd0;
|
|
||||||
default: result = 32'b0;
|
|
||||||
endcase
|
|
||||||
end
|
|
||||||
endmodule
|
|
||||||
|
|
||||||
`default_nettype wire
|
|
||||||
@@ -1,733 +0,0 @@
|
|||||||
`timescale 1ns / 1ps
|
|
||||||
`default_nettype none
|
|
||||||
|
|
||||||
// -----------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// cpu21-risc-v-4.circ -> 可综合 Verilog 实现（顶层）
|
|
||||||
//
|
|
||||||
// 处理器为五级流水线 IF/ID/EX/MEM/WB。本文件只保留：
|
|
||||||
// * 五级流水寄存器与各级之间的连线；
|
|
||||||
// * 各功能子模块的例化；
|
|
||||||
// * PC / IF-ID / ID-EX 的控制优先级（中断、URET、停机、重定向、停顿、
|
|
||||||
// 正常推进）；
|
|
||||||
// * 对外输出与调试信号。
|
|
||||||
//
|
|
||||||
// 各功能单元已拆分为独立文件，便于单独仿真调试：
|
|
||||||
// cpu21_riscv_alu.v 组合 ALU（result2 用于 MUL 高位 / 余数）
|
|
||||||
// cpu21_bpb_8.v 八表项全相联分支目标缓冲
|
|
||||||
// cpu21_riscv_decoder.v ID 级组合译码器
|
|
||||||
// cpu21_riscv_regfile.v 寄存器堆（写优先旁路）
|
|
||||||
// cpu21_riscv_forward_unit.v EX 级前递网络
|
|
||||||
// cpu21_riscv_store_unit.v EX 级存储数据对齐
|
|
||||||
// cpu21_riscv_branch_unit.v EX 级控制流裁决
|
|
||||||
// cpu21_riscv_hazard_unit.v load-use 冒险与冲刷/停顿判定
|
|
||||||
// cpu21_riscv_irq_ctrl.v 中断控制、ustatus/uepc 与嵌套返回栈
|
|
||||||
// cpu21_riscv_perf_counters.v 性能计数器
|
|
||||||
//
|
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||||||
// 主要特性：
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||||||
// * EX 级前递（forwarding）与 load-use 冒险互锁；
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|
||||||
// * EX 级控制流裁决与流水线重定向；
|
|
||||||
// * 八表项全相联分支目标缓冲（BPB）；
|
|
||||||
// * 三路采样的中断源，带优先级与可嵌套的 URET 返回；
|
|
||||||
// * 沿用原 ecall 约定：a7==34 时写出 LED 值，否则流水线等待 go_i。
|
|
||||||
//
|
|
||||||
// 存储器接口约定：
|
|
||||||
// instr_addr_o 与 data_addr_o 均为字节地址。data_wstrb_o 是字节写掩码，
|
|
||||||
// 因此外部字宽 RAM 可用 data_addr_o[11:2] 作为字索引，再依据
|
|
||||||
// data_wstrb_o 完成字节合并。
|
|
||||||
// -----------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
module cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
|
|
||||||
parameter RESET_PC = 32'h0000_0000,
|
|
||||||
parameter IRQ1_VECTOR = 32'h0000_30ac,
|
|
||||||
parameter IRQ2_VECTOR = 32'h0000_31e4,
|
|
||||||
parameter IRQ3_VECTOR = 32'h0000_3310,
|
|
||||||
parameter IRQ_STACK_DEPTH = 4,
|
|
||||||
// ustatus 复位值。详见 cpu21_riscv_irq_ctrl 中的说明。
|
|
||||||
parameter [31:0] USTATUS_INIT = 32'h0000_0001
|
|
||||||
) (
|
|
||||||
input wire clk,
|
|
||||||
input wire reset,
|
|
||||||
input wire [31:0] instr_i,
|
|
||||||
input wire [31:0] data_rdata_i,
|
|
||||||
input wire [ 2:0] irq_i,
|
|
||||||
input wire go_i,
|
|
||||||
|
|
||||||
output wire [31:0] instr_addr_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] data_addr_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] data_wdata_o,
|
|
||||||
output wire [ 3:0] data_wstrb_o,
|
|
||||||
output wire data_we_o,
|
|
||||||
|
|
||||||
output wire [31:0] led_data_o,
|
|
||||||
output wire led_valid_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] if_pc_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] id_pc_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] ex_pc_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] mem_pc_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] wb_pc_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] if_ir_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] id_ir_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] ex_ir_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] mem_ir_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] wb_ir_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] rdin_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] mdin_o,
|
|
||||||
output wire reg_write_o,
|
|
||||||
output wire mem_write_o,
|
|
||||||
output wire halted_o,
|
|
||||||
|
|
||||||
output wire [ 2:0] irq_pending_o,
|
|
||||||
output wire [ 1:0] irq_current_level_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] uepc_o,
|
|
||||||
output wire [31:0] ustatus_o,
|
|
||||||
output wire bpb_predict_hit_o,
|
|
||||||
output wire bpb_predict_taken_o,
|
|
||||||
output wire bpb_mispredict_o,
|
|
||||||
|
|
||||||
output wire [15:0] cycle_count_o,
|
|
||||||
output wire [15:0] stall_count_o,
|
|
||||||
output wire [15:0] bubble_count_o,
|
|
||||||
output wire [15:0] conditional_taken_count_o,
|
|
||||||
output wire [15:0] unconditional_branch_count_o,
|
|
||||||
output wire [15:0] prediction_success_count_o,
|
|
||||||
output wire [15:0] prediction_failure_count_o
|
|
||||||
);
|
|
||||||
// 顶层只用到少量常量，完整译码表见 cpu21_riscv_decoder.v。
|
|
||||||
localparam OP_BRANCH = 5'h18;
|
|
||||||
localparam ALU_ADD = 4'd5;
|
|
||||||
|
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||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// 流水线寄存器
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
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||||||
// 当前取指 PC。
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|
||||||
reg [31:0] pc_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// IF/ID 流水寄存器（含本条指令所携带的分支预测信息）。
|
|
||||||
reg ifid_valid_q;
|
|
||||||
reg [31:0] ifid_pc_q;
|
|
||||||
reg [31:0] ifid_ir_q;
|
|
||||||
reg ifid_pred_taken_q;
|
|
||||||
reg [31:0] ifid_pred_target_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// ID/EX 流水寄存器：保存译码结果与操作数。
|
|
||||||
reg idex_valid_q;
|
|
||||||
reg [31:0] idex_pc_q;
|
|
||||||
reg [31:0] idex_ir_q;
|
|
||||||
reg [31:0] idex_rs1_value_q;
|
|
||||||
reg [31:0] idex_rs2_value_q;
|
|
||||||
reg [4:0] idex_rs1_idx_q;
|
|
||||||
reg [4:0] idex_rs2_idx_q;
|
|
||||||
reg [4:0] idex_rd_q;
|
|
||||||
reg [31:0] idex_imm_q;
|
|
||||||
reg [3:0] idex_aluop_q;
|
|
||||||
reg idex_alu_src_q;
|
|
||||||
reg idex_reg_write_q;
|
|
||||||
reg idex_mem_to_reg_q;
|
|
||||||
reg idex_mem_write_q;
|
|
||||||
reg idex_mem_byte_q;
|
|
||||||
reg [2:0] idex_wb_sel_q;
|
|
||||||
reg [11:0] idex_csr_addr_q;
|
|
||||||
reg idex_branch_q;
|
|
||||||
reg idex_beq_q;
|
|
||||||
reg idex_bne_q;
|
|
||||||
reg idex_blt_q;
|
|
||||||
reg idex_bltu_q;
|
|
||||||
reg idex_jal_q;
|
|
||||||
reg idex_jalr_q;
|
|
||||||
reg idex_ecall_q;
|
|
||||||
reg idex_uret_q;
|
|
||||||
reg idex_csr_set_q;
|
|
||||||
reg idex_csr_clear_q;
|
|
||||||
reg idex_csr_write_q;
|
|
||||||
reg idex_pred_taken_q;
|
|
||||||
reg [31:0] idex_pred_target_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// EX/MEM 流水寄存器：保存 ALU/存储结果与写回控制。
|
|
||||||
reg exmem_valid_q;
|
|
||||||
reg [31:0] exmem_pc_q;
|
|
||||||
reg [31:0] exmem_ir_q;
|
|
||||||
reg [31:0] exmem_alu_result_q;
|
|
||||||
reg [31:0] exmem_alu_result2_q;
|
|
||||||
reg [31:0] exmem_csr_old_q;
|
|
||||||
reg [31:0] exmem_write_data_q;
|
|
||||||
reg [4:0] exmem_rd_q;
|
|
||||||
reg exmem_reg_write_q;
|
|
||||||
reg exmem_mem_to_reg_q;
|
|
||||||
reg exmem_mem_write_q;
|
|
||||||
reg [3:0] exmem_wstrb_q;
|
|
||||||
reg [2:0] exmem_wb_sel_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// MEM/WB 流水寄存器：保存访存数据与最终写回信息。
|
|
||||||
reg memwb_valid_q;
|
|
||||||
reg [31:0] memwb_pc_q;
|
|
||||||
reg [31:0] memwb_ir_q;
|
|
||||||
reg [31:0] memwb_alu_result_q;
|
|
||||||
reg [31:0] memwb_alu_result2_q;
|
|
||||||
reg [31:0] memwb_csr_old_q;
|
|
||||||
reg [31:0] memwb_mem_data_q;
|
|
||||||
reg [4:0] memwb_rd_q;
|
|
||||||
reg memwb_reg_write_q;
|
|
||||||
reg memwb_mem_to_reg_q;
|
|
||||||
reg [2:0] memwb_wb_sel_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// LED 输出与停机标志。
|
|
||||||
reg [31:0] led_data_q;
|
|
||||||
reg led_valid_q;
|
|
||||||
reg halted_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// IF 级：分支预测。JAL/JALR 在 EX 级裁决，条件分支则可以直接依据 BPB
|
|
||||||
// 给出的目标地址重定向取指 PC。
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
wire [4:0] f_opcode = instr_i[6:2];
|
|
||||||
wire [2:0] f_funct3 = instr_i[14:12];
|
|
||||||
wire f_is_branch = (f_opcode == OP_BRANCH) &&
|
|
||||||
((f_funct3 == 3'b000) || (f_funct3 == 3'b001) ||
|
|
||||||
(f_funct3 == 3'b100) || (f_funct3 == 3'b110));
|
|
||||||
wire [31:0] bpb_predict_target;
|
|
||||||
wire bpb_predict_hit;
|
|
||||||
wire bpb_predict_taken;
|
|
||||||
wire ex_branch_taken;
|
|
||||||
wire [31:0] ex_target;
|
|
||||||
wire ex_controlflow;
|
|
||||||
wire ex_redirect_valid;
|
|
||||||
wire [31:0] ex_redirect_pc;
|
|
||||||
|
|
||||||
// BPB 更新端口：在 EX 级用条件分支的实际结果训练预测器。
|
|
||||||
wire bpb_update_enable = idex_valid_q && idex_branch_q;
|
|
||||||
wire bpb_update_taken = ex_branch_taken;
|
|
||||||
wire [31:0] bpb_update_target = ex_target;
|
|
||||||
|
|
||||||
// 分支目标缓冲实例。
|
|
||||||
cpu21_bpb_8 u_bpb (
|
|
||||||
.clk (clk),
|
|
||||||
.reset (reset),
|
|
||||||
.predict_pc (pc_q),
|
|
||||||
.predict_enable (f_is_branch),
|
|
||||||
.predict_hit (bpb_predict_hit),
|
|
||||||
.predict_taken (bpb_predict_taken),
|
|
||||||
.predict_target (bpb_predict_target),
|
|
||||||
.update_enable (bpb_update_enable),
|
|
||||||
.update_controlflow(1'b1),
|
|
||||||
.update_pc (idex_pc_q),
|
|
||||||
.update_target (bpb_update_target),
|
|
||||||
.update_taken (bpb_update_taken)
|
|
||||||
);
|
|
||||||
|
|
||||||
// 下一取指 PC：预测跳转命中时使用 BPB 目标地址，否则顺序加 4。
|
|
||||||
wire [31:0] fetch_next_pc =
|
|
||||||
(f_is_branch && bpb_predict_hit && bpb_predict_taken) ?
|
|
||||||
bpb_predict_target : (pc_q + 32'd4);
|
|
||||||
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// ID 级：译码与寄存器堆读取
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
wire [4:0] d_src1_idx;
|
|
||||||
wire [4:0] d_src2_idx;
|
|
||||||
wire [4:0] d_rd;
|
|
||||||
wire [31:0] d_imm;
|
|
||||||
wire [3:0] d_aluop;
|
|
||||||
wire [2:0] d_wb_sel;
|
|
||||||
wire [11:0] d_csr_addr;
|
|
||||||
wire d_uses_rs1;
|
|
||||||
wire d_uses_rs2;
|
|
||||||
wire d_reg_write;
|
|
||||||
wire d_mem_to_reg;
|
|
||||||
wire d_mem_write;
|
|
||||||
wire d_mem_byte;
|
|
||||||
wire d_alu_src;
|
|
||||||
wire d_branch;
|
|
||||||
wire d_beq;
|
|
||||||
wire d_bne;
|
|
||||||
wire d_blt;
|
|
||||||
wire d_bltu;
|
|
||||||
wire d_jal;
|
|
||||||
wire d_jalr;
|
|
||||||
wire d_ecall;
|
|
||||||
wire d_uret;
|
|
||||||
wire d_csr_set;
|
|
||||||
wire d_csr_clear;
|
|
||||||
wire d_csr_write;
|
|
||||||
|
|
||||||
cpu21_riscv_decoder u_decoder (
|
|
||||||
.ir_i (ifid_ir_q),
|
|
||||||
.rs1_idx_o (d_src1_idx),
|
|
||||||
.rs2_idx_o (d_src2_idx),
|
|
||||||
.rd_o (d_rd),
|
|
||||||
.imm_o (d_imm),
|
|
||||||
.alu_op_o (d_aluop),
|
|
||||||
.wb_sel_o (d_wb_sel),
|
|
||||||
.csr_addr_o (d_csr_addr),
|
|
||||||
.uses_rs1_o (d_uses_rs1),
|
|
||||||
.uses_rs2_o (d_uses_rs2),
|
|
||||||
.reg_write_o (d_reg_write),
|
|
||||||
.mem_to_reg_o(d_mem_to_reg),
|
|
||||||
.mem_write_o (d_mem_write),
|
|
||||||
.mem_byte_o (d_mem_byte),
|
|
||||||
.alu_src_o (d_alu_src),
|
|
||||||
.branch_o (d_branch),
|
|
||||||
.beq_o (d_beq),
|
|
||||||
.bne_o (d_bne),
|
|
||||||
.blt_o (d_blt),
|
|
||||||
.bltu_o (d_bltu),
|
|
||||||
.jal_o (d_jal),
|
|
||||||
.jalr_o (d_jalr),
|
|
||||||
.ecall_o (d_ecall),
|
|
||||||
.uret_o (d_uret),
|
|
||||||
.csr_set_o (d_csr_set),
|
|
||||||
.csr_clear_o (d_csr_clear),
|
|
||||||
.csr_write_o (d_csr_write)
|
|
||||||
);
|
|
||||||
|
|
||||||
// 写回值选择：wb_sel 0=ALU 结果，1=访存数据，2=PC+4，3=MUL 高位/余数，
|
|
||||||
// 4=CSR 旧值。
|
|
||||||
wire [31:0] wb_value;
|
|
||||||
assign wb_value = (memwb_wb_sel_q == 3'd1) ? memwb_mem_data_q :
|
|
||||||
(memwb_wb_sel_q == 3'd2) ? (memwb_pc_q + 32'd4) :
|
|
||||||
(memwb_wb_sel_q == 3'd3) ? memwb_alu_result2_q :
|
|
||||||
(memwb_wb_sel_q == 3'd4) ? memwb_csr_old_q :
|
|
||||||
memwb_alu_result_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// WB 级写回使能（同时用于寄存器堆的写端口与写优先旁路）。
|
|
||||||
wire memwb_reg_write_en = memwb_valid_q && memwb_reg_write_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// ID 级读寄存器：x0 恒为 0，并对同周期 WB 的结果做写优先旁路。
|
|
||||||
wire [31:0] d_rs1_value;
|
|
||||||
wire [31:0] d_rs2_value;
|
|
||||||
|
|
||||||
cpu21_riscv_regfile u_regfile (
|
|
||||||
.clk (clk),
|
|
||||||
.reset (reset),
|
|
||||||
.rs1_idx_i (d_src1_idx),
|
|
||||||
.rs2_idx_i (d_src2_idx),
|
|
||||||
.rs1_data_o(d_rs1_value),
|
|
||||||
.rs2_data_o(d_rs2_value),
|
|
||||||
.we_i (memwb_reg_write_en),
|
|
||||||
.waddr_i (memwb_rd_q),
|
|
||||||
.wdata_i (wb_value)
|
|
||||||
);
|
|
||||||
|
|
||||||
// 中断/CSR 相关连线（中断控制器实例见下方"中断 / CSR"小节）。
|
|
||||||
wire take_irq;
|
|
||||||
wire [31:0] irq_vector;
|
|
||||||
wire [31:0] ex_return_pc;
|
|
||||||
wire [2:0] irq_pending;
|
|
||||||
wire [1:0] irq_current_level;
|
|
||||||
wire [31:0] uepc_value;
|
|
||||||
wire [31:0] ustatus_value;
|
|
||||||
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// EX 级：前递网络、ALU 运算、存储对齐与控制流裁决
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// EX/MEM 级要前递的值（按 wb_sel 选取）。
|
|
||||||
wire [31:0] exmem_forward_value =
|
|
||||||
(exmem_wb_sel_q == 3'd2) ? (exmem_pc_q + 32'd4) :
|
|
||||||
(exmem_wb_sel_q == 3'd3) ? exmem_alu_result2_q :
|
|
||||||
(exmem_wb_sel_q == 3'd4) ? exmem_csr_old_q :
|
|
||||||
exmem_alu_result_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// 前递优先级：EX/MEM 的结果最新，其次为 MEM/WB 写回值，最后才是
|
|
||||||
// 译码时读到的寄存器值。
|
|
||||||
wire [31:0] ex_src1;
|
|
||||||
wire [31:0] ex_src2;
|
|
||||||
|
|
||||||
cpu21_riscv_forward_unit u_forward_unit (
|
|
||||||
.rs1_value_i (idex_rs1_value_q),
|
|
||||||
.rs2_value_i (idex_rs2_value_q),
|
|
||||||
.rs1_idx_i (idex_rs1_idx_q),
|
|
||||||
.rs2_idx_i (idex_rs2_idx_q),
|
|
||||||
.exmem_valid_i (exmem_valid_q),
|
|
||||||
.exmem_reg_write_i (exmem_reg_write_q),
|
|
||||||
.exmem_mem_to_reg_i(exmem_mem_to_reg_q),
|
|
||||||
.exmem_rd_i (exmem_rd_q),
|
|
||||||
.exmem_value_i (exmem_forward_value),
|
|
||||||
.memwb_valid_i (memwb_valid_q),
|
|
||||||
.memwb_reg_write_i (memwb_reg_write_q),
|
|
||||||
.memwb_rd_i (memwb_rd_q),
|
|
||||||
.memwb_value_i (wb_value),
|
|
||||||
.src1_o (ex_src1),
|
|
||||||
.src2_o (ex_src2)
|
|
||||||
);
|
|
||||||
|
|
||||||
// ALU 的 B 端：立即数或 rs2。
|
|
||||||
wire [31:0] ex_alu_b = idex_alu_src_q ? idex_imm_q : ex_src2;
|
|
||||||
wire [31:0] ex_alu_result;
|
|
||||||
wire [31:0] ex_alu_result2;
|
|
||||||
// 读取 CSR 旧值（ustatus=0x004、uepc=0x041），供 CSR 指令回写 rd。
|
|
||||||
wire [31:0] ex_csr_old_value =
|
|
||||||
(idex_csr_addr_q == 12'h004) ? ustatus_value :
|
|
||||||
(idex_csr_addr_q == 12'h041) ? uepc_value : 32'b0;
|
|
||||||
|
|
||||||
// ALU 实例（纯组合逻辑）。
|
|
||||||
cpu21_riscv_alu u_ex_alu (
|
|
||||||
.op (idex_aluop_q),
|
|
||||||
.a (ex_src1),
|
|
||||||
.b (ex_alu_b),
|
|
||||||
.result (ex_alu_result),
|
|
||||||
.result2(ex_alu_result2)
|
|
||||||
);
|
|
||||||
|
|
||||||
// 控制流裁决：条件分支方向/目标、JAL/JALR 目标、是否需要重定向。
|
|
||||||
cpu21_riscv_branch_unit u_branch_unit (
|
|
||||||
.valid_i (idex_valid_q),
|
|
||||||
.pc_i (idex_pc_q),
|
|
||||||
.imm_i (idex_imm_q),
|
|
||||||
.src1_i (ex_src1),
|
|
||||||
.src2_i (ex_src2),
|
|
||||||
.branch_i (idex_branch_q),
|
|
||||||
.beq_i (idex_beq_q),
|
|
||||||
.bne_i (idex_bne_q),
|
|
||||||
.blt_i (idex_blt_q),
|
|
||||||
.bltu_i (idex_bltu_q),
|
|
||||||
.jal_i (idex_jal_q),
|
|
||||||
.jalr_i (idex_jalr_q),
|
|
||||||
.pred_taken_i (idex_pred_taken_q),
|
|
||||||
.pred_target_i (idex_pred_target_q),
|
|
||||||
.branch_taken_o (ex_branch_taken),
|
|
||||||
.controlflow_o (ex_controlflow),
|
|
||||||
.target_o (ex_target),
|
|
||||||
.redirect_valid_o(ex_redirect_valid),
|
|
||||||
.redirect_pc_o (ex_redirect_pc)
|
|
||||||
);
|
|
||||||
|
|
||||||
// 存储数据对齐：依据字节地址低两位生成写数据与字节写掩码。
|
|
||||||
wire [31:0] ex_store_data;
|
|
||||||
wire [ 3:0] ex_store_wstrb;
|
|
||||||
|
|
||||||
cpu21_riscv_store_unit u_store_unit (
|
|
||||||
.addr_i (ex_alu_result),
|
|
||||||
.data_i (ex_src2),
|
|
||||||
.mem_write_i (idex_mem_write_q),
|
|
||||||
.mem_byte_i (idex_mem_byte_q),
|
|
||||||
.store_data_o (ex_store_data),
|
|
||||||
.store_wstrb_o(ex_store_wstrb)
|
|
||||||
);
|
|
||||||
|
|
||||||
// ecall 约定：a7==34 时输出 LED；否则令处理器停机，等待 go_i 重新启动。
|
|
||||||
wire ex_led_event = idex_valid_q && idex_ecall_q && (ex_src1 == 32'd34);
|
|
||||||
wire ex_halt_event = idex_valid_q && idex_ecall_q && (ex_src1 != 32'd34);
|
|
||||||
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// 中断 / CSR / 嵌套返回栈
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
wire ex_uret_redirect = idex_valid_q && idex_uret_q;
|
|
||||||
// EX 级正在重定向/URET/停机时不允许响应中断。
|
|
||||||
wire ex_block_irq = ex_redirect_valid || ex_uret_redirect || ex_halt_event;
|
|
||||||
// 中断发生时要保存的返回地址取"下一个架构 PC"：若 EX 是一条预测正确
|
|
||||||
// 且已跳转的分支，则该 PC 就是它的目标地址；若 EX 为空，则 IF/ID 中
|
|
||||||
// 保存的就是尚未执行的最老指令。
|
|
||||||
wire [31:0] irq_save_pc = idex_valid_q ?
|
|
||||||
((idex_branch_q && ex_branch_taken) ? ex_target : (idex_pc_q + 32'd4)) :
|
|
||||||
(ifid_valid_q ? ifid_pc_q : pc_q);
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
cpu21_riscv_irq_ctrl #(
|
|
||||||
.IRQ1_VECTOR (IRQ1_VECTOR),
|
|
||||||
.IRQ2_VECTOR (IRQ2_VECTOR),
|
|
||||||
.IRQ3_VECTOR (IRQ3_VECTOR),
|
|
||||||
.IRQ_STACK_DEPTH(IRQ_STACK_DEPTH),
|
|
||||||
.USTATUS_INIT (USTATUS_INIT)
|
|
||||||
) u_irq_ctrl (
|
|
||||||
.clk (clk),
|
|
||||||
.reset (reset),
|
|
||||||
.irq_i (irq_i),
|
|
||||||
.halted_i (halted_q),
|
|
||||||
.ex_block_i (ex_block_irq),
|
|
||||||
.save_pc_i (irq_save_pc),
|
|
||||||
.uret_i (ex_uret_redirect),
|
|
||||||
.csr_valid_i(idex_valid_q),
|
|
||||||
.csr_set_i (idex_csr_set_q),
|
|
||||||
.csr_clear_i(idex_csr_clear_q),
|
|
||||||
.csr_write_i(idex_csr_write_q),
|
|
||||||
.csr_addr_i (idex_csr_addr_q),
|
|
||||||
.csr_imm_i (idex_imm_q),
|
|
||||||
.csr_wdata_i(ex_src1),
|
|
||||||
.take_irq_o (take_irq),
|
|
||||||
.vector_o (irq_vector),
|
|
||||||
.return_pc_o(ex_return_pc),
|
|
||||||
.pending_o (irq_pending),
|
|
||||||
.level_o (irq_current_level),
|
|
||||||
.uepc_o (uepc_value),
|
|
||||||
.ustatus_o (ustatus_value)
|
|
||||||
);
|
|
||||||
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// 冒险 / 停顿 / 冲刷判定
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
wire load_use_hazard;
|
|
||||||
wire flush_younger;
|
|
||||||
wire pipeline_stall;
|
|
||||||
|
|
||||||
cpu21_riscv_hazard_unit u_hazard_unit (
|
|
||||||
.ifid_valid_i (ifid_valid_q),
|
|
||||||
.idex_valid_i (idex_valid_q),
|
|
||||||
.idex_mem_to_reg_i(idex_mem_to_reg_q),
|
|
||||||
.idex_rd_i (idex_rd_q),
|
|
||||||
.d_uses_rs1_i (d_uses_rs1),
|
|
||||||
.d_uses_rs2_i (d_uses_rs2),
|
|
||||||
.d_src1_idx_i (d_src1_idx),
|
|
||||||
.d_src2_idx_i (d_src2_idx),
|
|
||||||
.take_irq_i (take_irq),
|
|
||||||
.uret_redirect_i (ex_uret_redirect),
|
|
||||||
.halt_event_i (ex_halt_event),
|
|
||||||
.redirect_valid_i (ex_redirect_valid),
|
|
||||||
.halted_i (halted_q),
|
|
||||||
.load_use_hazard_o(load_use_hazard),
|
|
||||||
.flush_younger_o (flush_younger),
|
|
||||||
.pipeline_stall_o (pipeline_stall)
|
|
||||||
);
|
|
||||||
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// 对外输出与调试信号。
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// 存储器接口：指令地址来自取指 PC；数据地址/写数据/写掩码来自 MEM 级。
|
|
||||||
assign instr_addr_o = pc_q;
|
|
||||||
assign data_addr_o = exmem_alu_result_q;
|
|
||||||
assign data_wdata_o = exmem_write_data_q;
|
|
||||||
assign data_wstrb_o = (exmem_valid_q && exmem_mem_write_q) ? exmem_wstrb_q : 4'b0;
|
|
||||||
assign data_we_o = |data_wstrb_o;
|
|
||||||
|
|
||||||
// LED 输出与流水线各级 PC/指令回显（用于调试与波形观察）。
|
|
||||||
assign led_data_o = led_data_q;
|
|
||||||
assign led_valid_o = led_valid_q;
|
|
||||||
assign if_pc_o = pc_q;
|
|
||||||
assign id_pc_o = ifid_valid_q ? ifid_pc_q : 32'b0;
|
|
||||||
assign ex_pc_o = idex_valid_q ? idex_pc_q : 32'b0;
|
|
||||||
assign mem_pc_o = exmem_valid_q ? exmem_pc_q : 32'b0;
|
|
||||||
assign wb_pc_o = memwb_valid_q ? memwb_pc_q : 32'b0;
|
|
||||||
assign if_ir_o = instr_i;
|
|
||||||
assign id_ir_o = ifid_valid_q ? ifid_ir_q : 32'b0;
|
|
||||||
assign ex_ir_o = idex_valid_q ? idex_ir_q : 32'b0;
|
|
||||||
assign mem_ir_o = exmem_valid_q ? exmem_ir_q : 32'b0;
|
|
||||||
assign wb_ir_o = memwb_valid_q ? memwb_ir_q : 32'b0;
|
|
||||||
assign rdin_o = wb_value;
|
|
||||||
assign mdin_o = exmem_write_data_q;
|
|
||||||
assign reg_write_o = memwb_valid_q && memwb_reg_write_q;
|
|
||||||
assign mem_write_o = exmem_valid_q && exmem_mem_write_q;
|
|
||||||
assign halted_o = halted_q;
|
|
||||||
assign irq_pending_o = irq_pending;
|
|
||||||
assign irq_current_level_o = irq_current_level;
|
|
||||||
assign uepc_o = uepc_value;
|
|
||||||
assign ustatus_o = ustatus_value;
|
|
||||||
assign bpb_predict_hit_o = bpb_predict_hit;
|
|
||||||
assign bpb_predict_taken_o = bpb_predict_taken;
|
|
||||||
assign bpb_mispredict_o = ex_redirect_valid && idex_branch_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// 状态更新。顺序遵循五级流水线：先捕获 MEM/WB、EX/MEM，再处理
|
|
||||||
// ID/EX 与 IF/ID/PC 的控制。
|
|
||||||
// -------------------------------------------------------------------------
|
|
||||||
// 复位时清空所有流水寄存器与 LED/停机标志（寄存器堆、中断状态与
|
|
||||||
// 性能计数器在各自的子模块内复位）。
|
|
||||||
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
|
||||||
if (reset) begin
|
|
||||||
pc_q <= RESET_PC;
|
|
||||||
ifid_valid_q <= 1'b0;
|
|
||||||
ifid_pc_q <= 32'b0;
|
|
||||||
ifid_ir_q <= 32'b0;
|
|
||||||
ifid_pred_taken_q <= 1'b0;
|
|
||||||
ifid_pred_target_q <= 32'b0;
|
|
||||||
|
|
||||||
idex_valid_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_pc_q <= 32'b0;
|
|
||||||
idex_ir_q <= 32'b0;
|
|
||||||
idex_rs1_value_q <= 32'b0;
|
|
||||||
idex_rs2_value_q <= 32'b0;
|
|
||||||
idex_rs1_idx_q <= 5'b0;
|
|
||||||
idex_rs2_idx_q <= 5'b0;
|
|
||||||
idex_rd_q <= 5'b0;
|
|
||||||
idex_imm_q <= 32'b0;
|
|
||||||
idex_aluop_q <= ALU_ADD;
|
|
||||||
idex_alu_src_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_reg_write_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_mem_to_reg_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_mem_write_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_mem_byte_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_wb_sel_q <= 3'b0;
|
|
||||||
idex_csr_addr_q <= 12'b0;
|
|
||||||
idex_branch_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_beq_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_bne_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_blt_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_bltu_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_jal_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_jalr_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_ecall_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_uret_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_csr_set_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_csr_clear_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_csr_write_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_pred_taken_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_pred_target_q <= 32'b0;
|
|
||||||
|
|
||||||
exmem_valid_q <= 1'b0;
|
|
||||||
exmem_pc_q <= 32'b0;
|
|
||||||
exmem_ir_q <= 32'b0;
|
|
||||||
exmem_alu_result_q <= 32'b0;
|
|
||||||
exmem_alu_result2_q <= 32'b0;
|
|
||||||
exmem_csr_old_q <= 32'b0;
|
|
||||||
exmem_write_data_q <= 32'b0;
|
|
||||||
exmem_rd_q <= 5'b0;
|
|
||||||
exmem_reg_write_q <= 1'b0;
|
|
||||||
exmem_mem_to_reg_q <= 1'b0;
|
|
||||||
exmem_mem_write_q <= 1'b0;
|
|
||||||
exmem_wstrb_q <= 4'b0;
|
|
||||||
exmem_wb_sel_q <= 3'b0;
|
|
||||||
|
|
||||||
memwb_valid_q <= 1'b0;
|
|
||||||
memwb_pc_q <= 32'b0;
|
|
||||||
memwb_ir_q <= 32'b0;
|
|
||||||
memwb_alu_result_q <= 32'b0;
|
|
||||||
memwb_alu_result2_q <= 32'b0;
|
|
||||||
memwb_csr_old_q <= 32'b0;
|
|
||||||
memwb_mem_data_q <= 32'b0;
|
|
||||||
memwb_rd_q <= 5'b0;
|
|
||||||
memwb_reg_write_q <= 1'b0;
|
|
||||||
memwb_mem_to_reg_q <= 1'b0;
|
|
||||||
memwb_wb_sel_q <= 3'b0;
|
|
||||||
|
|
||||||
led_data_q <= 32'b0;
|
|
||||||
led_valid_q <= 1'b0;
|
|
||||||
halted_q <= 1'b0;
|
|
||||||
end else begin
|
|
||||||
led_valid_q <= 1'b0;
|
|
||||||
|
|
||||||
if (ex_led_event) begin
|
|
||||||
led_data_q <= ex_src2;
|
|
||||||
led_valid_q <= 1'b1;
|
|
||||||
end
|
|
||||||
if (go_i) halted_q <= 1'b0;
|
|
||||||
if (ex_halt_event) halted_q <= 1'b1;
|
|
||||||
|
|
||||||
// MEM/WB 流水寄存器捕获。
|
|
||||||
memwb_valid_q <= exmem_valid_q;
|
|
||||||
memwb_pc_q <= exmem_pc_q;
|
|
||||||
memwb_ir_q <= exmem_ir_q;
|
|
||||||
memwb_alu_result_q <= exmem_alu_result_q;
|
|
||||||
memwb_alu_result2_q <= exmem_alu_result2_q;
|
|
||||||
memwb_csr_old_q <= exmem_csr_old_q;
|
|
||||||
memwb_mem_data_q <= data_rdata_i;
|
|
||||||
memwb_rd_q <= exmem_rd_q;
|
|
||||||
memwb_reg_write_q <= exmem_reg_write_q;
|
|
||||||
memwb_mem_to_reg_q <= exmem_mem_to_reg_q;
|
|
||||||
memwb_wb_sel_q <= exmem_wb_sel_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// EX/MEM 流水寄存器捕获。
|
|
||||||
exmem_valid_q <= idex_valid_q;
|
|
||||||
exmem_pc_q <= idex_pc_q;
|
|
||||||
exmem_ir_q <= idex_ir_q;
|
|
||||||
exmem_alu_result_q <= ex_alu_result;
|
|
||||||
exmem_alu_result2_q <= ex_alu_result2;
|
|
||||||
exmem_csr_old_q <= ex_csr_old_value;
|
|
||||||
exmem_write_data_q <= ex_store_data;
|
|
||||||
exmem_rd_q <= idex_rd_q;
|
|
||||||
exmem_reg_write_q <= idex_reg_write_q;
|
|
||||||
exmem_mem_to_reg_q <= idex_mem_to_reg_q;
|
|
||||||
exmem_mem_write_q <= idex_mem_write_q;
|
|
||||||
exmem_wstrb_q <= ex_store_wstrb;
|
|
||||||
exmem_wb_sel_q <= idex_wb_sel_q;
|
|
||||||
|
|
||||||
// 控制优先级：中断 > URET > ecall 停机 > 分支重定向 >
|
|
||||||
// load-use 停顿 > 正常流水推进。
|
|
||||||
if (flush_younger || pipeline_stall || halted_q) begin
|
|
||||||
idex_valid_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_pred_taken_q <= 1'b0;
|
|
||||||
idex_pred_target_q <= 32'b0;
|
|
||||||
end else begin
|
|
||||||
idex_valid_q <= ifid_valid_q;
|
|
||||||
idex_pc_q <= ifid_pc_q;
|
|
||||||
idex_ir_q <= ifid_ir_q;
|
|
||||||
idex_rs1_value_q <= d_rs1_value;
|
|
||||||
idex_rs2_value_q <= d_rs2_value;
|
|
||||||
idex_rs1_idx_q <= d_src1_idx;
|
|
||||||
idex_rs2_idx_q <= d_src2_idx;
|
|
||||||
idex_rd_q <= d_rd;
|
|
||||||
idex_imm_q <= d_imm;
|
|
||||||
idex_aluop_q <= d_aluop;
|
|
||||||
idex_alu_src_q <= d_alu_src;
|
|
||||||
idex_reg_write_q <= d_reg_write;
|
|
||||||
idex_mem_to_reg_q <= d_mem_to_reg;
|
|
||||||
idex_mem_write_q <= d_mem_write;
|
|
||||||
idex_mem_byte_q <= d_mem_byte;
|
|
||||||
idex_wb_sel_q <= d_wb_sel;
|
|
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idex_csr_addr_q <= d_csr_addr;
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idex_branch_q <= d_branch;
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||||||
idex_beq_q <= d_beq;
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||||||
idex_bne_q <= d_bne;
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||||||
idex_blt_q <= d_blt;
|
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||||||
idex_bltu_q <= d_bltu;
|
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||||||
idex_jal_q <= d_jal;
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||||||
idex_jalr_q <= d_jalr;
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||||||
idex_ecall_q <= d_ecall;
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||||||
idex_uret_q <= d_uret;
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||||||
idex_csr_set_q <= d_csr_set;
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||||||
idex_csr_clear_q <= d_csr_clear;
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||||||
idex_csr_write_q <= d_csr_write;
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||||||
idex_pred_taken_q <= ifid_pred_taken_q;
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||||||
idex_pred_target_q <= ifid_pred_target_q;
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end
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||||||
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if (take_irq) begin
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pc_q <= irq_vector;
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ifid_valid_q <= 1'b0;
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||||||
ifid_pred_taken_q <= 1'b0;
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||||||
ifid_pred_target_q <= 32'b0;
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||||||
end else if (ex_uret_redirect) begin
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||||||
pc_q <= ex_return_pc;
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||||||
ifid_valid_q <= 1'b0;
|
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||||||
ifid_pred_taken_q <= 1'b0;
|
|
||||||
ifid_pred_target_q <= 32'b0;
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||||||
end else if (ex_halt_event) begin
|
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||||||
pc_q <= idex_pc_q + 32'd4;
|
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||||||
ifid_valid_q <= 1'b0;
|
|
||||||
ifid_pred_taken_q <= 1'b0;
|
|
||||||
ifid_pred_target_q <= 32'b0;
|
|
||||||
end else if (ex_redirect_valid) begin
|
|
||||||
pc_q <= ex_redirect_pc;
|
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||||||
ifid_valid_q <= 1'b0;
|
|
||||||
ifid_pred_taken_q <= 1'b0;
|
|
||||||
ifid_pred_target_q <= 32'b0;
|
|
||||||
end else if (pipeline_stall) begin
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||||||
pc_q <= pc_q;
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||||||
ifid_valid_q <= ifid_valid_q;
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||||||
ifid_pc_q <= ifid_pc_q;
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||||||
ifid_ir_q <= ifid_ir_q;
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||||||
ifid_pred_taken_q <= ifid_pred_taken_q;
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|
||||||
ifid_pred_target_q <= ifid_pred_target_q;
|
|
||||||
end else if (halted_q) begin
|
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||||||
pc_q <= pc_q;
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||||||
ifid_valid_q <= 1'b0;
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||||||
end else begin
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pc_q <= fetch_next_pc;
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||||||
ifid_valid_q <= 1'b1;
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||||||
ifid_pc_q <= pc_q;
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||||||
ifid_ir_q <= instr_i;
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||||||
ifid_pred_taken_q <= f_is_branch && bpb_predict_hit && bpb_predict_taken;
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||||||
ifid_pred_target_q <= bpb_predict_target;
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||||||
end
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||||||
end
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||||||
end
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// -------------------------------------------------------------------------
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// 性能计数器（只影响统计量，不参与控制）。
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// -------------------------------------------------------------------------
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cpu21_riscv_perf_counters u_perf_counters (
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.clk (clk),
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.reset (reset),
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.inc_cycle_i (!halted_q),
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.stall_i (pipeline_stall),
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.flush_i (flush_younger),
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||||||
.cond_taken_i (idex_valid_q && idex_branch_q && ex_branch_taken),
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||||||
.cond_valid_i (idex_valid_q && idex_branch_q),
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||||||
.mispredict_i (ex_redirect_valid),
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||||||
.uncond_i (idex_valid_q && (idex_jal_q || idex_jalr_q)),
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||||||
.cycle_count_o (cycle_count_o),
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||||||
.stall_count_o (stall_count_o),
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||||||
.bubble_count_o (bubble_count_o),
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||||||
.conditional_taken_count_o (conditional_taken_count_o),
|
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||||||
.unconditional_branch_count_o(unconditional_branch_count_o),
|
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||||||
.prediction_success_count_o (prediction_success_count_o),
|
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||||||
.prediction_failure_count_o (prediction_failure_count_o)
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||||||
);
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||||||
endmodule
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||||||
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||||||
`default_nettype wire
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@@ -1,81 +0,0 @@
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# `cpu21-riscv-4.circ` 的 Verilog 实现
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顶层文件：`cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v`
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该设计对应原电路中的“重定向流水线+中断+分支预测”部分，顶层模块为
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`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`。为便于单独仿真与调试，各功能单元已拆分为
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独立文件，顶层的 ALU、BPB 也已移出，具体见文末“文件与模块划分”。
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## 已转换的功能
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- 五级流水：IF、ID、EX、MEM、WB。
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- EX/MEM 与 MEM/WB 前递，以及 load-use 一拍停顿。
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- 条件分支 `beq`、`bne`、`blt`（有符号小于）、`bltu`（无符号小于）在 EX 段判定，错误预测时清空 IF/ID、ID/EX 并重定向 PC。真值表中 BLT 的 `ALU_OP` 为 SLT，与实现一致。
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- `jal`、`jalr` 在 EX 段重定向，返回地址写回 `rd`。
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- 8 项全相联 BPB：标签 `PC[11:2]`，每项包含 valid、目标 PC、2 位饱和计数器和 3 位年龄字段。BPB 只由条件分支更新，避免 `jal`、`jalr` 占用不会被查询的表项；未命中时优先使用无效项，否则替换年龄最大的项。
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- 三路中断输入 `irq_i[2:0]`：两级同步、上升沿挂起、IRQ3 > IRQ2 > IRQ1 优先级，仅在 `ustatus[0]`（MIE）允许时响应。
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- 支持嵌套中断：保存 EPC、`ustatus` 和当前优先级；`URET` 使用当前 `uepc` 返回，并从硬件栈恢复外层上下文。三个入口按照原电路的 `INTpc` 选择：IRQ1=`0x30ac`、IRQ2=`0x31e4`、IRQ3=`0x3310`。`0x22` 是 `ecall` 的服务号 34，不是中断向量。
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- CSRRSI、CSRRCI，以及 CSRRW：支持 CSR 地址 `0x004`（`ustatus`）和 `0x041`（`uepc`）。立即数为 `IR[19:15]` 的零扩展值，并按 RISC-V 规则把旧 CSR 值写回 `rd`；这覆盖任务书中的 `csrrsi s6,0x41,0` 和 `csrrw zero,0x41,s6` 用法。
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- `ecall`：`a7 == 34` 时把 `a0` 锁存到 `led_data_o`；否则置 `halted_o`，直到 `go_i` 为高。
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- `sw` 和 `sb`：输出 `data_wstrb_o`，支持按字节写入。
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## 指令编码
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表中的 `opcode` 是控制器使用的五位字段 `IR[6:2]`，不是包含最低两位的 7 位原始 opcode。
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因此它与标准 RISC-V 指令的低 7 位 opcode 相差右移两位。
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| 指令类别 | opcode | 说明 |
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| ------------------------------ | -----: | --------------------------------------- |
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| R 型 | `0x0c` | add/sub/and/or/xor/slt/sltu/sll/srl/sra |
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| I 型 ALU | `0x04` | addi/andi/ori/xori/slti/slli/srli/srai |
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| `lw` | `0x00` | `funct3=010` |
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| `sw` / `sb` | `0x08` | `funct3=010` / `000` |
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| `beq` / `bne` / `blt` / `bltu` | `0x18` | `funct3=000` / `001` / `100` / `110` |
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| `jal` | `0x1b` | J 型立即数 |
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| `jalr` | `0x19` | `funct3=000` |
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| 系统类 | `0x1c` | `ecall`、`URET`、CSRRSI、CSRRCI |
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`ecall` 和 `URET` 都是 `opcode=0x1c、funct3=0`，由 `IR[21]` 区分：
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`IR[21]=0` 是 `ecall`，`IR[21]=1` 是 `URET`。这一点来自原控制器中的 `IR21` 分支逻辑。
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## 顶层端口约定
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- `instr_i`：当前 `instr_addr_o` 对应的 32 位指令。原 Logisim 中由 ROM 提供。
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- `data_rdata_i`：当前 `data_addr_o` 的读数据。原 Logisim 中由 MIPS RAM 提供。
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- `data_addr_o`、`data_wdata_o`、`data_wstrb_o`、`data_we_o`：数据存储器接口。地址按字节地址输出；若使用原 32 位 RAM，可用 `data_addr_o[11:2]` 作为字地址。
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- `irq_i[0]`、`irq_i[1]`、`irq_i[2]`：1、2、3 号中断源；输入应为脉冲或边沿信号，模块内部会同步并锁存挂起状态。
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- `go_i`：对应原电路的“继续运行”按键。
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- `if_pc_o`、`id_pc_o`、`ex_pc_o`、`mem_pc_o`、`wb_pc_o`：五级流水当前保存的 PC，气泡时输出 0，便于替代原电路的调试探针。
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- `rdin_o`、`mdin_o`、`reg_write_o`、`mem_write_o`：对应原电路的寄存器写回和存储器写调试输出。
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- `cycle_count_o`、`stall_count_o`、`bubble_count_o`、`conditional_taken_count_o`、`unconditional_branch_count_o`、`prediction_success_count_o`、`prediction_failure_count_o`：对应原电路和课程要求的周期、停顿/气泡、分支和动态预测统计量。
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## 时序和使用说明
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1. `reset` 为高时异步清空流水线、寄存器文件、BPB、挂起中断和中断栈，PC 置为 `RESET_PC`；`ustatus` 复位为参数 `USTATUS_INIT`，默认 `0x0000_0001`（MIE 上电即使能）。这样做的原因是课程的中断测试程序只在中断处理程序的“保护现场”之后写 MIE，主流程不会开中断；若不默认使能，第一次中断只会挂在 `irq_pending_o` 上而永不响应。参数可覆盖，例如把 `USTATUS_INIT` 设为 `32'h0` 即可恢复“上电关中断”的行为。
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2. 指令存储器按组合读处理；数据存储器读数据在一个 MEM 周期内返回。若 RAM 为同步读，需要在外部增加一级数据寄存或相应调整 MEM/WB。
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3. 响应中断时允许当前 EX 指令完成，并保存下一条尚未执行指令的 PC；若 EX 是已正确预测的跳转分支，则保存实际目标地址。EX 为空时优先保存 IF/ID 中尚未执行的 PC。这样 `URET` 不会重复执行已经提交的存储或寄存器写操作。
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4. 默认 BPB 新表项采用弱不跳转/弱跳转状态：首次更新为不跳转时计数器为 `01`，首次更新为跳转时为 `10`；命中后按 2 位饱和规则增减。
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5. `bpb_predict_hit_o`、`bpb_predict_taken_o`、`bpb_mispredict_o` 和 `irq_*_o` 是观测端口，不参与外部控制，可以直接接逻辑分析仪或测试平台。
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6. `cycle_count_o` 在 `halted_o` 为高时暂停；load-use 每次计入一个气泡，重定向或中断清空 IF/ID 与当前 IF 时计入两个气泡。
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原 `.circ` 文件中的 ROM、MIPS RAM、按钮、LED 和调试显示器属于 Logisim 外围，不直接搬入 RTL；其功能分别由指令接口、数据接口、`go_i`、`led_*_o` 和调试端口替代。
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## 文件与模块划分
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| 文件 | 模块 | 职责 |
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| -------------------------------- | ------------------------------ | --------------------------------------------------------------- |
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| `cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v` | `cpu21_riscv_redirect_int_bpb` | 顶层：五级流水寄存器、子模块例化、PC/IF-ID/ID-EX 控制、对外输出 |
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| `cpu21_riscv_alu.v` | `cpu21_riscv_alu` | 组合 ALU（`result2` 用于 MUL 高位 / DIVU 余数） |
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| `cpu21_bpb_8.v` | `cpu21_bpb_8` | 8 项全相联分支目标缓冲（2 位饱和计数器 + 近似 LRU） |
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| `cpu21_riscv_decoder.v` | `cpu21_riscv_decoder` | ID 级组合译码器（操作码 `IR[6:2]`） |
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| `cpu21_riscv_regfile.v` | `cpu21_riscv_regfile` | 寄存器堆，`x0` 恒为 0，同周期 WB 写优先旁路 |
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| `cpu21_riscv_forward_unit.v` | `cpu21_riscv_forward_unit` | EX 级前递网络（EX/MEM 优先于 MEM/WB） |
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| `cpu21_riscv_store_unit.v` | `cpu21_riscv_store_unit` | EX 级存储数据对齐：`sw`/`sb` 的写数据与字节写掩码 |
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| `cpu21_riscv_branch_unit.v` | `cpu21_riscv_branch_unit` | EX 级控制流裁决：分支方向/目标、JAL/JALR 重定向 |
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| `cpu21_riscv_hazard_unit.v` | `cpu21_riscv_hazard_unit` | load-use 冒险、停顿（stall）与冲刷（flush）判定 |
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| `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 |
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| `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 |
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拆分只调整了模块边界与文件组织，端口、时序与行为完全等价：使用同一 ROM 程序
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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
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跳转、预测成败）完全一致。
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@@ -0,0 +1,116 @@
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# ============================================================================
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# cpu21-riscv 流水线 CPU —— 一键重建 Vivado 工程
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# FPGA：Nexys4DDR / xc7a100tcsg324-1（Vivado 2025.2 实测通过）
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# 目录结构（本脚本所在目录就是工程目录）：
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# create_project.tcl 本脚本
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# srcs/rtl/*.v 处理器 RTL（顶层 cpu21_riscv_redirect_int_bpb）
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# srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层、片内 ROM 初始化（含 __FAST 仿真版本）
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# srcs/constrs/*.xdc 引脚约束与板级母版
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# srcs/tb/*.v 测试平台（中断/分支预测、无中断、板级）
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# srcs/rom/*.hex 测试平台加载的 ROM 镜像
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# tools/、programs/ 迷你汇编器与测试程序（改程序、重生成 ROM 用）
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# 说明文档：cpu21_riscv_redirect_int_bpb说明.md
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# 用法：
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# 1) 建议先删掉本目录下的 pipelined-cpu.xpr，以及 *.runs / *.sim / *.cache /
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# *.hw / *.gen / *.ip_user_files 等生成目录（不删会在下面报错提示）；
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# 2) 在 Vivado Tcl Shell 里执行： source create_project.tcl
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# 或命令行： vivado -mode batch -source create_project.tcl -log create.log
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# 3) 工程就地创建：pipelined-cpu.xpr（源文件仍在 srcs/ 下，不会被搬动）。
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# 脚本用 [info script] 定位自身目录，所以整个文件夹拷到任何路径都能直接用。
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# 若想用 Vivado 自动生成的版本，见说明文档“工程分享”一节。
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# ============================================================================
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set origin_dir [file dirname [file normalize [info script]]]
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set proj_name "pipelined-cpu"
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set part_name "xc7a100tcsg324-1"
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# ---------------------------------------------------------------- 自检
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set required [list \
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"$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_top.v" \
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"$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_rom.vh" \
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"$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_rom_fast.vh" \
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"$origin_dir/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc" \
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"$origin_dir/srcs/tb/tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v" \
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"$origin_dir/srcs/tb/tb_no_intr.v" \
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"$origin_dir/srcs/tb/tb_board_top.v"]
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set missing {}
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foreach f $required { if {![file exists $f]} { lappend missing $f } }
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if {[llength [glob -nocomplain "$origin_dir/srcs/rtl/*.v"]] == 0} {
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lappend missing "$origin_dir/srcs/rtl/*.v"
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}
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if {[llength $missing] > 0} {
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puts "ERROR: 缺少下列文件，请确认 srcs/ 目录完整："
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foreach f $missing { puts " $f" }
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return 1
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}
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if {[file exists "$origin_dir/$proj_name.xpr"]} {
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puts "ERROR: 工程已存在：$origin_dir/$proj_name.xpr"
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|
puts " 请先删除 .xpr（以及 *.runs / *.sim 等生成目录）后重跑本脚本。"
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return 1
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}
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# ---------------------------------------------------------------- 建工程
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create_project $proj_name $origin_dir -part $part_name
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# 设计源文件：处理器 RTL + 板级顶层 + 片内 ROM 初始化
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add_files -norecurse -fileset sources_1 [glob "$origin_dir/srcs/rtl/*.v"]
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add_files -norecurse -fileset sources_1 [list \
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"$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_top.v" \
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|
"$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_rom.vh"]
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set_property file_type {Verilog Header} \
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[get_files "$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_rom.vh"]
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# 扫雷程序的 ROM 初始化（由 saolei/tools/build.ps1 生成，可能还不存在）。
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# 综合/仿真时定义宏 SAOLEI_ROM 就会用它替换上面的跑马灯 ROM。
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set saolei_rom "$origin_dir/srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh"
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if {[file exists $saolei_rom]} {
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add_files -norecurse -fileset sources_1 [list $saolei_rom]
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set_property file_type {Verilog Header} [get_files $saolei_rom]
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} else {
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puts "NOTE: 还没有 $saolei_rom —— 需要先跑 saolei/tools/build.ps1 生成"
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}
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# 约束（cpu21_board_top.xdc 是引脚与分频时钟约束）
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add_files -norecurse -fileset constrs_1 [glob "$origin_dir/srcs/constrs/*.xdc"]
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# 仿真文件：测试平台 + ROM 镜像 + 快速版 ROM 头文件
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add_files -norecurse -fileset sim_1 [list \
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"$origin_dir/srcs/tb/tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v" \
|
||||||
|
"$origin_dir/srcs/tb/tb_no_intr.v" \
|
||||||
|
"$origin_dir/srcs/tb/tb_board_top.v" \
|
||||||
|
"$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_rom_fast.vh"]
|
||||||
|
add_files -norecurse -fileset sim_1 [glob "$origin_dir/srcs/rom/*.hex"]
|
||||||
|
set_property file_type {Verilog Header} \
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||||||
|
[get_files "$origin_dir/srcs/board/cpu21_board_rom_fast.vh"]
|
||||||
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|
# 第二个仿真 fileset：无中断测试平台（tb_no_intr）
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|
create_fileset -simset sim_2
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|
add_files -norecurse -fileset sim_2 [list \
|
||||||
|
"$origin_dir/srcs/tb/tb_no_intr.v" \
|
||||||
|
"$origin_dir/srcs/tb/tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v"]
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---------------------------------------------------------------- 顶层与顺序
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|
set_property top cpu21_board_top [get_filesets sources_1]
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set_property top tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb [get_filesets sim_1]
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set_property top tb_no_intr [get_filesets sim_2]
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update_compile_order -fileset sources_1
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update_compile_order -fileset sim_1
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update_compile_order -fileset sim_2
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# GUI 仿真默认只跑 1000 ns，这里改成跑完（否则看起来像卡住）
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foreach fs {sim_1 sim_2} {
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catch { set_property -name {xsim.simulate.runtime} -value {all} -objects [get_filesets $fs] }
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}
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# ---------------------------------------------------------------- 结果汇总
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puts "工程已创建：$origin_dir/$proj_name.xpr"
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puts " sources_1 顶层 = cpu21_board_top（上板：时钟分频 + 片内 ROM/RAM + 引脚）"
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puts " sim_1 顶层 = tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb（中断/分支预测）"
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puts " sim_2 顶层 = tb_no_intr（指令集测试，ROM 镜像在 srcs/rom/）"
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puts " 下一步：Run Synthesis → Run Implementation → Generate Bitstream，或 Run Simulation"
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puts " 提示：CPU 时钟 = 100 MHz / CLK_DIV（默认 2）= 50 MHz；改分频比时"
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puts " cpu21_board_top.v 的 CLK_DIV 与 cpu21_board_top.xdc 的 -divide_by 要一起改。"
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@@ -0,0 +1,22 @@
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# 上板演示程序（Nexys4DDR）：通过 MMIO 写 LED 数据寄存器，做 16 位跑马灯。
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# LED_ADDR = 0x0000_1000（与 cpu21_board_top.v / cpu21_mmio.v 的默认参数一致）。
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# 用 tools/hex2vh.py 把它转成 cpu21_board_rom.vh，供综合时初始化片内 ROM。
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lui t0, 0x1 # t0 = LED_ADDR = 0x00001000
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addi t1, zero, 1 # 跑马灯初值：bit0
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main_loop:
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sw t1, 0(t0) # MMIO 写 LED -> 板载 LED[15:0]
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slli t1, t1, 1 # 左移一位
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lui t4, 0x8 # t4 = 0x00008000
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bltu t4, t1, restart # 移出 16 位后重新开始
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jal zero, delay
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restart:
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addi t1, zero, 1
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delay: # 软件延时，让人眼能看到跑马灯（50 MHz 下约 20 ms）
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lui t2, 0x7a # 延时计数 0x0007A000 ≈ 5e5 次循环
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addi t3, zero, 1
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delay_loop:
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sub t2, t2, t3
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bne t2, zero, delay_loop
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jal zero, main_loop
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@@ -0,0 +1,25 @@
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# 上板演示程序的**快速版**（仅仿真用）：与 board_demo.asm 只差延时循环的初值——
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# 从 `lui t2, 0x7a`（≈ 20 ms/步）改成 `addi t2, zero, 64`（≈ 2.6 µs/步 @50 MHz），
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# 这样一次仿真（tb_board_top，300 µs 窗口）就能看完整个跑马灯序列。
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# 重新生成：python tools/rv_asm.py programs/board_demo_fast.asm _tmp/board_demo_fast.hex
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# python tools/hex2vh.py _tmp/board_demo_fast.hex srcs/board/cpu21_board_rom_fast.vh 1024
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# 综合时用 -d BOARD_ROM_FAST 才会选到它（见 srcs/board/cpu21_board_top.v）。
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lui t0, 0x1 # t0 = LED_ADDR = 0x00001000
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|
addi t1, zero, 1 # 跑马灯初值：bit0
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main_loop:
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sw t1, 0(t0) # MMIO 写 LED -> 板载 LED[15:0]
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|
slli t1, t1, 1 # 左移一位
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||||||
|
lui t4, 0x8 # t4 = 0x00008000
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|
bltu t4, t1, restart # 移出 16 位后重新开始
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||||||
|
jal zero, delay
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||||||
|
restart:
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addi t1, zero, 1
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|
||||||
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delay: # 短延时（仿真用，人眼看不见）
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addi t2, zero, 64 # 延时计数 64 次循环
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addi t3, zero, 1
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||||||
|
delay_loop:
|
||||||
|
sub t2, t2, t3
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|
bne t2, zero, delay_loop
|
||||||
|
jal zero, main_loop
|
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@@ -0,0 +1,110 @@
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|
# 指令扩展验证程序：每条被测指令的结果都通过 MMIO 写 LED 输出，最后用 halt 停机。
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# 期望输出顺序见每行注释（共 24 次输出），同时保存在同目录 isa_test.expected（每行一项 LED 值）。
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#
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# 用法（在仓库根目录执行）：
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# python tools/rv_asm.py testbench/programs/isa_test.asm <仿真工作目录>/risc-v-benchmark_ccab.hex
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|
# 再用 testbench/tb_no_intr.v 仿真；hex 命名为 risc-v-benchmark_ccab.hex 时会被测试
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# 平台优先从仿真工作目录载入（参见 tb_no_intr.v 的 ROM 探测顺序）。
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|
# print / halt 是 tools/rv_asm.py 提供的双字伪指令（print 会占用 t6）：
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# print = lui t6,0x1000>>12 + sw a0,0(t6)（写 MMIO 的 LED 寄存器）；
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# halt = addi a7,zero,10 + ecall（ecall 停机）。
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|
# ---- sltiu：立即数符号扩展后做无符号比较 ----
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addi t0, zero, 1
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|
addi t1, zero, -1 # t1 = 0xffffffff
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|
sltiu a0, t0, -1 # 1 <u 0xffffffff -> 00000001
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||||||
|
print
|
||||||
|
sltiu a0, t1, 1 # 0xffffffff <u 1 -> 00000000
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||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---- xor / sll / srl / sra（原有指令回归）----
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||||||
|
addi t0, zero, 0xff
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||||||
|
addi t1, zero, -1
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||||||
|
xor a0, t0, t1 # 0xff ^ 0xffffffff -> ffffff00
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||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
addi t0, zero, 1
|
||||||
|
addi t1, zero, 31
|
||||||
|
sll a0, t0, t1 # 1 << 31 -> 80000000
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
addi t0, zero, -1
|
||||||
|
addi t1, zero, 28
|
||||||
|
srl a0, t0, t1 # 逻辑右移 -> 0000000f
|
||||||
|
print
|
||||||
|
sra a0, t0, t1 # 算术右移 -> ffffffff
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---- mul：无符号乘积低 32 位 ----
|
||||||
|
addi t0, zero, 1234
|
||||||
|
addi t1, zero, 567
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||||||
|
mul a0, t0, t1 # 1234*567 = 0x000aad1e
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---- mulh / mulhu / mulhsu：64 位乘积的高 32 位 ----
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||||||
|
addi t0, zero, -1 # 有符号 -1 / 无符号 0xffffffff
|
||||||
|
addi t1, zero, -1
|
||||||
|
mulh a0, t0, t1 # (-1)*(-1)=1 -> 00000000
|
||||||
|
print
|
||||||
|
mulhu a0, t0, t1 # 0xffffffff^2 -> fffffffe
|
||||||
|
print
|
||||||
|
addi t0, zero, -1
|
||||||
|
addi t1, zero, 2
|
||||||
|
mulhsu a0, t0, t1 # (-1)*2=-2 -> ffffffff
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---- bltu：0 <u 0xffffffff 成立（按有符号比较则不成立）----
|
||||||
|
addi t0, zero, -1
|
||||||
|
bltu zero, t0, bltu_ok
|
||||||
|
addi a0, zero, 0x101 # 不应执行
|
||||||
|
print
|
||||||
|
bltu_ok:
|
||||||
|
addi a0, zero, 0x601 # 00000601
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---- bge：有符号 >= ，(-1) >= 0 不成立，应走 fall-through ----
|
||||||
|
addi t0, zero, -1
|
||||||
|
bge t0, zero, bge_bad
|
||||||
|
addi a0, zero, 0x602 # 00000602
|
||||||
|
print
|
||||||
|
jal zero, bge_done
|
||||||
|
bge_bad:
|
||||||
|
addi a0, zero, 0x102 # 不应执行
|
||||||
|
print
|
||||||
|
bge_done:
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---- bgeu：无符号 >= ，0xffffffff >=u 0 成立 ----
|
||||||
|
addi t0, zero, -1
|
||||||
|
bgeu t0, zero, bgeu_ok
|
||||||
|
addi a0, zero, 0x103 # 不应执行
|
||||||
|
print
|
||||||
|
bgeu_ok:
|
||||||
|
addi a0, zero, 0x603 # 00000603
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---- bge 循环：从 -3 递增到 0（共 4 次输出）----
|
||||||
|
addi s1, zero, -3
|
||||||
|
bge_loop:
|
||||||
|
add a0, zero, s1
|
||||||
|
print # fffffffd / fffffffe / ffffffff / 00000000
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||||||
|
addi s1, s1, 1
|
||||||
|
bge zero, s1, bge_loop
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---- bgeu 循环：3 -> 1（共 3 次输出）----
|
||||||
|
addi t0, zero, 3
|
||||||
|
bgeu_loop:
|
||||||
|
add a0, zero, t0
|
||||||
|
print # 00000003 / 00000002 / 00000001
|
||||||
|
addi t0, t0, -1
|
||||||
|
addi t2, zero, 1
|
||||||
|
bgeu t0, t2, bgeu_loop
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---- bltu 循环：4 -> 1（共 4 次输出）----
|
||||||
|
addi s1, zero, 4
|
||||||
|
bltu_loop:
|
||||||
|
add a0, zero, s1
|
||||||
|
print # 00000004 / 00000003 / 00000002 / 00000001
|
||||||
|
addi s1, s1, -1
|
||||||
|
bltu zero, s1, bltu_loop
|
||||||
|
|
||||||
|
halt
|
||||||
@@ -0,0 +1,24 @@
|
|||||||
|
00000001
|
||||||
|
00000000
|
||||||
|
ffffff00
|
||||||
|
80000000
|
||||||
|
0000000f
|
||||||
|
ffffffff
|
||||||
|
000aad1e
|
||||||
|
00000000
|
||||||
|
fffffffe
|
||||||
|
ffffffff
|
||||||
|
00000601
|
||||||
|
00000602
|
||||||
|
00000603
|
||||||
|
fffffffd
|
||||||
|
fffffffe
|
||||||
|
ffffffff
|
||||||
|
00000000
|
||||||
|
00000003
|
||||||
|
00000002
|
||||||
|
00000001
|
||||||
|
00000004
|
||||||
|
00000003
|
||||||
|
00000002
|
||||||
|
00000001
|
||||||
@@ -0,0 +1,21 @@
|
|||||||
|
# LUI 指令测试：依次把 lui 的结果写到 MMIO 的 LED 寄存器，最后停机。
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||||||
|
# 期望输出：12345000 / fffff000 / 80000000 / 12345678，随后停机（halted=1）。
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|
# 用法：python tools/rv_asm.py testbench/programs/lui_test.asm <仿真工作目录>/risc-v-benchmark_ccab.hex
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||||||
|
lui t0, 0x12345 # t0 = 0x12345000
|
||||||
|
add a0, zero, t0
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||||||
|
print # MMIO 写 LED -> 12345000
|
||||||
|
|
||||||
|
lui t0, 0xfffff # t0 = 0xfffff000
|
||||||
|
add a0, zero, t0
|
||||||
|
print # -> fffff000
|
||||||
|
|
||||||
|
lui t0, 0x80000 # t0 = 0x80000000
|
||||||
|
add a0, zero, t0
|
||||||
|
print # -> 80000000
|
||||||
|
|
||||||
|
lui t0, 0x12345 # 常见用法 lui+addi：0x12345678
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||||||
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addi t0, t0, 0x678
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||||||
|
add a0, zero, t0
|
||||||
|
print # -> 12345678
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||||||
|
|
||||||
|
halt # 停机
|
||||||
@@ -0,0 +1,4 @@
|
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|
12345000
|
||||||
|
fffff000
|
||||||
|
80000000
|
||||||
|
12345678
|
||||||
@@ -0,0 +1,25 @@
|
|||||||
|
# MMIO 验证程序：写 LED 寄存器（0x0000_1000）-> 读回 -> 字节写 -> 再读回。
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# 期望 LED 输出顺序（共 5 次，见同目录 mmio_test.expected）：
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# ① 12345678 sw 0x12345678
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|
# ② 12345678 lw 读回后 print（print = lui t6 + sw a0,0(t6)，本身就是一次 MMIO 写）
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||||||
|
# ③ ffffffff sw 0xffffffff
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|
# ④ ffff7fff sb 0x7f 覆盖 led[15:8]
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|
# ⑤ ffff7fff 读回后 print
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||||||
|
# 用法：python tools/rv_asm.py testbench/programs/mmio_test.asm <仿真工作目录>/risc-v-benchmark_ccab.hex
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||||||
|
lui t0, 0x1 # t0 = LED_ADDR = 0x00001000
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|
|
||||||
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lui t1, 0x12345
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||||||
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addi t1, t1, 0x678 # t1 = 0x12345678
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||||||
|
sw t1, 0(t0) # ① MMIO 写 LED
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lw a0, 0(t0) # MMIO 读回
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||||||
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print # ② 应为 12345678
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||||||
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addi t2, zero, -1 # t2 = 0xffffffff
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||||||
|
sw t2, 0(t0) # ③ 应为 ffffffff
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|
||||||
|
addi t3, zero, 0x7f
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||||||
|
sb t3, 1(t0) # 字节写：led[15:8] = 0x7f
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||||||
|
lw a0, 0(t0) # 读回
|
||||||
|
print # ④ 应为 ffff7fff
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||||||
|
|
||||||
|
halt
|
||||||
@@ -0,0 +1,5 @@
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|||||||
|
12345678
|
||||||
|
12345678
|
||||||
|
ffffffff
|
||||||
|
ffff7fff
|
||||||
|
ffff7fff
|
||||||
@@ -0,0 +1,95 @@
|
|||||||
|
# 乘除法（多周期单元）测试：每个结果都写给 MMIO 的 LED 寄存器，供测试平台比对。
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||||||
|
# 期望输出顺序见同目录 muldiv_test.expected（共 13 个值）。
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||||||
|
#
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# ① mul 7 * 6 = 42 -> 0000002a
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# ② mul -5 * 4 = -20 -> ffffffec
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||||||
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# ③ mulh 0x40000000 * 4 高 32 位 -> 00000001
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||||||
|
# ④ mulhu 0xffffffff * 2 高 32 位 -> 00000001
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||||||
|
# ⑤ mulhsu -1 * 0xffffffff 高 32 位 -> ffffffff
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||||||
|
# ⑥ divu 100 / 7 = 14 -> 0000000e
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||||||
|
# ⑦ remu 100 % 7 = 2 -> 00000002
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|
# ⑧ divu 0xffffffff / 2 = 2147483647 -> 7fffffff
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||||||
|
# ⑨ divu 12345 / 0 除零约定 -> ffffffff
|
||||||
|
# ⑩ remu 12345 % 0 除零约定 -> 00003039
|
||||||
|
# ⑪ remu 0xffffffff % 16 = 15 -> 0000000f
|
||||||
|
# ⑫ mul 0x12345678 * 16 低 32 位 -> 23456780
|
||||||
|
# ⑬ mulh 0x12345678 * 0x1000 高 32 位 -> 00000123
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||||||
|
#
|
||||||
|
# 用法：python tools/rv_asm.py testbench/programs/muldiv_test.asm testbench/rom/muldiv_test.hex
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||||||
|
|
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|
# ① mul：有符号乘法的低 32 位
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addi t1, zero, 7
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|
addi t2, zero, 6
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||||||
|
mul a0, t1, t2
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|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ② mul：负乘数（低 32 位）
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||||||
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addi t1, zero, -5
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||||||
|
addi t2, zero, 4
|
||||||
|
mul a0, t1, t2
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ③ mulh：正数相乘，高 32 位不为 0
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|
lui t1, 0x40000
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||||||
|
addi t2, zero, 4
|
||||||
|
mulh a0, t1, t2
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ④ mulhu：无符号高位（0xffffffff * 2 = 0x1_fffffffe）
|
||||||
|
addi t1, zero, -1
|
||||||
|
addi t2, zero, 2
|
||||||
|
mulhu a0, t1, t2
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ⑤ mulhsu：有符号 x 无符号（-1 * 4294967295 = 0xffffffff_00000001）
|
||||||
|
addi t1, zero, -1
|
||||||
|
addi t2, zero, -1
|
||||||
|
mulhsu a0, t1, t2
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ⑥ divu：普通除法
|
||||||
|
addi t1, zero, 100
|
||||||
|
addi t2, zero, 7
|
||||||
|
divu a0, t1, t2
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ⑦ remu：普通取余
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||||||
|
remu a0, t1, t2
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ⑧ divu：无符号大数
|
||||||
|
addi t1, zero, -1
|
||||||
|
addi t2, zero, 2
|
||||||
|
divu a0, t1, t2
|
||||||
|
print
|
||||||
|
|
||||||
|
# ⑨ divu：除零（商为全 1）
|
||||||
|
lui t1, 0x3
|
||||||
|
addi t1, t1, 0x39 # t1 = 12345
|
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addi t2, zero, 0
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divu a0, t1, t2
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print
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# ⑩ remu：除零（余数为被除数）
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remu a0, t1, t2
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print
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# ⑪ remu：0xffffffff % 16
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addi t1, zero, -1
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addi t2, zero, 16
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remu a0, t1, t2
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print
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||||||
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|
# ⑫ mul：0x12345678 * 16 的低 32 位
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lui t1, 0x12345
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||||||
|
addi t1, t1, 0x678
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||||||
|
addi t2, zero, 16
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||||||
|
mul a0, t1, t2
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||||||
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print
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||||||
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||||||
|
# ⑬ mulh：0x12345678 * 0x1000 的高 32 位
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||||||
|
lui t2, 0x1
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|
mulh a0, t1, t2
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||||||
|
print
|
||||||
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||||||
|
halt
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@@ -0,0 +1,13 @@
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|
0000002a
|
||||||
|
ffffffec
|
||||||
|
00000001
|
||||||
|
00000001
|
||||||
|
ffffffff
|
||||||
|
0000000e
|
||||||
|
00000002
|
||||||
|
7fffffff
|
||||||
|
ffffffff
|
||||||
|
00003039
|
||||||
|
0000000f
|
||||||
|
23456780
|
||||||
|
00000123
|
||||||
File diff suppressed because it is too large
Load Diff
File diff suppressed because it is too large
Load Diff
@@ -0,0 +1,365 @@
|
|||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
`default_nettype none
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||||||
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||||||
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// -----------------------------------------------------------------------------
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|
// 上板顶层（Nexys4DDR，xc7a100tcsg324-1）
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//
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// 处理器顶层 cpu21_riscv_redirect_int_bpb 暴露了 775 位调试端口（各级 PC/IR、
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|
// 计数器、BPB/中断观测等），直接作为实现顶层会因 I/O 超限而无法布局布线
|
||||||
|
// （[Place 30-415] IO Placement failed due to overutilization）。本模块只把
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||||||
|
// 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：
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||||||
|
//
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||||||
|
// clk100 (E3) -> CPU 时钟（100 MHz，经 CLK_DIV 分频后给 CPU）
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||||||
|
// 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
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||||||
|
// irq_sw[2:0] -> 拨码开关 SW[2:0]：3 路中断源
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||||||
|
// led[15:0] -> 板载 LED[15:0]：显示 MMIO（LED_ADDR）写入值的低 16 位
|
||||||
|
// led_we (R12) -> LED16_B：有 MMIO 写入时亮，并拉长约 0.34 s 便于观察
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||||||
|
//
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|
// 片内存储器：
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|
// ROM：ROM_WORDS 字，组合读，内容由 `include "cpu21_board_rom.vh"` 给出
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|
// （该文件由 tools/hex2vh.py 从 testbench/programs/*.hex 生成）；
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||||||
|
// RAM：RAM_WORDS 字，字节写使能 + 组合读；只响应地址 < 2^(RAM_AW+2)，
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||||||
|
// 因此 MMIO 地址不会落进 RAM（避免与 LED_ADDR 别名）。
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|
//
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|
// 注意：ROM_WORDS / RAM_WORDS 需为 2 的幂（默认 1024，对应地址位 [11:2]）。
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|
// -----------------------------------------------------------------------------
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||||||
|
module cpu21_board_top #(
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|
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）：
|
||||||
|
// CLK_DIV=1（100 MHz）：WNS = -1.1 ns，违例路径是 EX 级的
|
||||||
|
// 分支判决/中断保存 → BPB 更新，与乘除法无关（逻辑只占 ~3 ns，
|
||||||
|
// 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,
|
||||||
|
// 鼠标事件源：0 = 板上 5 向按键（免外设，默认）；1 = PS/2 鼠标（Pmod JA）
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||||||
|
parameter integer USE_PS2_MOUSE = 0
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||||||
|
) (
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||||||
|
input wire clk100, // E3
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||||||
|
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
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||||||
|
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
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||||||
|
output wire [ 3:0] vga_r,
|
||||||
|
output wire [ 3:0] vga_g,
|
||||||
|
output wire [ 3:0] vga_b,
|
||||||
|
output wire vga_hs,
|
||||||
|
output wire vga_vs,
|
||||||
|
// PS/2（只有 USE_PS2_MOUSE=1 时才用）
|
||||||
|
input wire ps2_clk,
|
||||||
|
input wire ps2_data
|
||||||
|
);
|
||||||
|
localparam ROM_AW = $clog2(ROM_WORDS);
|
||||||
|
localparam RAM_AW = $clog2(RAM_WORDS);
|
||||||
|
|
||||||
|
wire arst = ~rst_n; // 异步复位（高有效）
|
||||||
|
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||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 时钟：100 MHz / CLK_DIV（默认 2 = 50 MHz）给 CPU。
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||||||
|
//
|
||||||
|
// 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。
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [15:0] clk_cnt;
|
||||||
|
reg clk_div;
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||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk100 or posedge arst) begin
|
||||||
|
if (arst) begin
|
||||||
|
clk_cnt <= 16'd0;
|
||||||
|
clk_div <= 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (clk_cnt == (CLK_DIV / 2 - 1)) begin
|
||||||
|
clk_cnt <= 16'd0;
|
||||||
|
clk_div <= ~clk_div;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
clk_cnt <= clk_cnt + 16'd1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
wire clk_cpu = clk_div;
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 复位同步器：按键异步置位、释放与 CPU 时钟同步
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [2:0] rst_sync_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
|
||||||
|
if (arst)
|
||||||
|
rst_sync_q <= 3'b111;
|
||||||
|
else
|
||||||
|
rst_sync_q <= {rst_sync_q[1:0], 1'b0};
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
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;
|
||||||
|
// 扫雷扩展外设的连线（先声明，例化在下面）
|
||||||
|
wire [31:0] disp_ctrl, disp_cursor; // 显示控制器（CPU 内部 MMIO 驱动）
|
||||||
|
wire [31:0] seg_data; // 数码管：8 位十六进制
|
||||||
|
wire 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 frame_tick;
|
||||||
|
wire [15:0] sw_vec = {12'b0, sw_flag, irq_sw};
|
||||||
|
// 中断连线：SW0 与鼠标共用一个入口，SW1 与"关卡入口"共用一个入口。
|
||||||
|
wire [ 2:0] irq_vec = {irq_sw[2], (level_irq | irq_sw[1]), (mouse_irq | irq_sw[0])};
|
||||||
|
for (i = 0; i < ROM_WORDS; i = i + 1)
|
||||||
|
rom[i] = 32'h0000_0013; // NOP 填充
|
||||||
|
`ifdef SAOLEI_ROM
|
||||||
|
// 扫雷程序（由 saolei/tools/build.ps1 生成的 cpu21_saolei_rom.vh）。
|
||||||
|
// 综合/仿真时定义宏 SAOLEI_ROM 即可切换到这个程序；不定义就是下面的跑马灯。
|
||||||
|
`include "cpu21_saolei_rom.vh"
|
||||||
|
`elsif BOARD_ROM_FAST
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||||||
|
// 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
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 数据 RAM：字节写使能 + 组合读
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [31:0] ram[0:RAM_WORDS-1];
|
||||||
|
integer j;
|
||||||
|
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
for (j = 0; j < RAM_WORDS; j = j + 1)
|
||||||
|
ram[j] = 32'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
wire [ROM_AW+1:2] rom_index = instr_addr[ROM_AW+1:2];
|
||||||
|
wire [RAM_AW+1:2] ram_index = data_addr[RAM_AW+1:2];
|
||||||
|
wire ram_sel = (data_addr[31:RAM_AW+2] == 0);
|
||||||
|
|
||||||
|
wire [31:0] instr_word = rom[rom_index];
|
||||||
|
wire [31:0] data_rdata = ram_sel ? ram[ram_index] : 32'b0;
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk_cpu) begin
|
||||||
|
if (ram_sel && data_we) begin
|
||||||
|
if (data_wstrb[0])
|
||||||
|
ram[ram_index][7:0] <= data_wdata[7:0];
|
||||||
|
if (data_wstrb[1])
|
||||||
|
ram[ram_index][15:8] <= data_wdata[15:8];
|
||||||
|
if (data_wstrb[2])
|
||||||
|
ram[ram_index][23:16] <= data_wdata[23:16];
|
||||||
|
if (data_wstrb[3])
|
||||||
|
ram[ram_index][31:24] <= data_wdata[31:24];
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 处理器：只连接上板需要的端口，调试端口留空（不产生 I/O）
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
|
||||||
|
.LED_ADDR (LED_ADDR),
|
||||||
|
.USTATUS_INIT(USTATUS_INIT),
|
||||||
|
// 三个中断入口：必须与 sw/linker.ld 里
|
||||||
|
// .text.isr1/2/3 的地址一致
|
||||||
|
// IRQ1(0x100) = 关卡（游戏）入口
|
||||||
|
// IRQ2(0x200) = 鼠标读取
|
||||||
|
// IRQ3(0x300) = 备用
|
||||||
|
.IRQ1_VECTOR (32'h0000_0100),
|
||||||
|
.IRQ2_VECTOR (32'h0000_0200),
|
||||||
|
.IRQ3_VECTOR (32'h0000_0300)
|
||||||
|
) u_cpu (
|
||||||
|
.clk (clk_cpu),
|
||||||
|
.reset (reset),
|
||||||
|
.instr_i (instr_word),
|
||||||
|
.data_rdata_i(data_rdata),
|
||||||
|
.irq_i (irq_vec),
|
||||||
|
.go_i (go),
|
||||||
|
|
||||||
|
.instr_addr_o(instr_addr),
|
||||||
|
.data_addr_o (data_addr),
|
||||||
|
.data_wdata_o(data_wdata),
|
||||||
|
.data_wstrb_o(data_wstrb),
|
||||||
|
.data_we_o (data_we),
|
||||||
|
|
||||||
|
.led_data_o (led_data),
|
||||||
|
.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)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 板载 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位；写入指示拉长便于观察
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
assign led = led_data[15:0];
|
||||||
|
|
||||||
|
reg [23:0] led_we_cnt;
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
|
||||||
|
if (arst)
|
||||||
|
led_we_cnt <= 24'd0;
|
||||||
|
else if (led_valid)
|
||||||
|
led_we_cnt <= 24'hFF_FFFF; // 约 0.34 s @50 MHz
|
||||||
|
else if (led_we_cnt != 24'd0)
|
||||||
|
led_we_cnt <= led_we_cnt - 24'd1;
|
||||||
|
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),
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.vga_b (vga_b),
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Tcl 一键重建
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ga_hs (vga_hs),
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.vga_vs (vga_vs),
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.frame_tick_o(frame_tick)
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||||||
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);
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// ---- 七段数码管（显示项目程序写的 8 位十六进制数）----
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cpu21_seg7 u_seg7 (
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.clk (clk_cpu),
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.reset (reset),
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.seg_data_i(seg_data),
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||||||
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.an_en_i (8'hFF),
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.an_o (an),
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.seg_o (seg),
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.dp_o (dp)
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);
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// ---- 鼠标事件源 ----
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wire ev_valid;
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wire [7:0] ev_dx, ev_dy;
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||||||
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wire [4:0] ev_btn;
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wire [4:0] btn_vec = {go, btnu, btnd, btnl, btnr}; // {BTNC, BTNU, BTND, BTNL, BTNR}
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generate
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if (USE_PS2_MOUSE != 0) begin : g_ps2
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cpu21_ps2_mouse u_ps2 (
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.clk (clk_cpu),
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||||||
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.reset (reset),
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||||||
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.ps2_clk_i (ps2_clk),
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||||||
|
.ps2_clk_oe_o (),
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||||||
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.ps2_data_i (ps2_data),
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||||||
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.ps2_data_oe_o(),
|
||||||
|
.ev_valid_o (ev_valid),
|
||||||
|
.ev_dx_o (ev_dx),
|
||||||
|
.ev_dy_o (ev_dy),
|
||||||
|
.ev_btn_o (ev_btn),
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||||||
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.rx_count_o ()
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)
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;
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||||||
|
end
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else begin : g_btn
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cpu21_pointer #(
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.SAMPLE_DIV(50000)
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) u_ptr (
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.clk (clk_cpu),
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.reset (reset),
|
||||||
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.btn_i (btn_vec),
|
||||||
|
.ev_valid_o(ev_valid),
|
||||||
|
.ev_dx_o (ev_dx),
|
||||||
|
.ev_dy_o (ev_dy),
|
||||||
|
.ev_btn_o (ev_btn)
|
||||||
|
);
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||||||
|
end
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||||||
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endgenerate
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||||||
|
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endmodule
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`default_nettype wire
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File diff suppressed because it is too large
Load Diff
@@ -0,0 +1,265 @@
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## This file is a general .xdc for the Nexys4 DDR Rev. C
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## To use it in a project:
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## - uncomment the lines corresponding to used pins
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## - rename the used ports (in each line, after get_ports) according to the top level signal names in the project
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## Clock signal
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN E3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CLK100MHZ }]; #IO_L12P_T1_MRCC_35 Sch=clk100mhz
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#create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports {CLK100MHZ}];
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##Switches
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[0] }]; #IO_L24N_T3_RS0_15 Sch=sw[0]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN L16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[1] }]; #IO_L3N_T0_DQS_EMCCLK_14 Sch=sw[1]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN M13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[2] }]; #IO_L6N_T0_D08_VREF_14 Sch=sw[2]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[3] }]; #IO_L13N_T2_MRCC_14 Sch=sw[3]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[4] }]; #IO_L12N_T1_MRCC_14 Sch=sw[4]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[5] }]; #IO_L7N_T1_D10_14 Sch=sw[5]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[6] }]; #IO_L17N_T2_A13_D29_14 Sch=sw[6]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[7] }]; #IO_L5N_T0_D07_14 Sch=sw[7]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T8 IOSTANDARD LVCMOS18 } [get_ports { SW[8] }]; #IO_L24N_T3_34 Sch=sw[8]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN U8 IOSTANDARD LVCMOS18 } [get_ports { SW[9] }]; #IO_25_34 Sch=sw[9]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[10] }]; #IO_L15P_T2_DQS_RDWR_B_14 Sch=sw[10]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[11] }]; #IO_L23P_T3_A03_D19_14 Sch=sw[11]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[12] }]; #IO_L24P_T3_35 Sch=sw[12]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN U12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[13] }]; #IO_L20P_T3_A08_D24_14 Sch=sw[13]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN U11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[14] }]; #IO_L19N_T3_A09_D25_VREF_14 Sch=sw[14]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN V10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SW[15] }]; #IO_L21P_T3_DQS_14 Sch=sw[15]
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## LEDs
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN H17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[0] }]; #IO_L18P_T2_A24_15 Sch=led[0]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN K15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[1] }]; #IO_L24P_T3_RS1_15 Sch=led[1]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[2] }]; #IO_L17N_T2_A25_15 Sch=led[2]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN N14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[3] }]; #IO_L8P_T1_D11_14 Sch=led[3]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[4] }]; #IO_L7P_T1_D09_14 Sch=led[4]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN V17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[5] }]; #IO_L18N_T2_A11_D27_14 Sch=led[5]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN U17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[6] }]; #IO_L17P_T2_A14_D30_14 Sch=led[6]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN U16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[7] }]; #IO_L18P_T2_A12_D28_14 Sch=led[7]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN V16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[8] }]; #IO_L16N_T2_A15_D31_14 Sch=led[8]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[9] }]; #IO_L14N_T2_SRCC_14 Sch=led[9]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN U14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[10] }]; #IO_L22P_T3_A05_D21_14 Sch=led[10]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[11] }]; #IO_L15N_T2_DQS_DOUT_CSO_B_14 Sch=led[11]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN V15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[12] }]; #IO_L16P_T2_CSI_B_14 Sch=led[12]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN V14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[13] }]; #IO_L22N_T3_A04_D20_14 Sch=led[13]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN V12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[14] }]; #IO_L20N_T3_A07_D23_14 Sch=led[14]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN V11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED[15] }]; #IO_L21N_T3_DQS_A06_D22_14 Sch=led[15]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN R12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED16_B }]; #IO_L5P_T0_D06_14 Sch=led16_b
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN M16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED16_G }]; #IO_L10P_T1_D14_14 Sch=led16_g
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN N15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED16_R }]; #IO_L11P_T1_SRCC_14 Sch=led16_r
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED17_B }]; #IO_L15N_T2_DQS_ADV_B_15 Sch=led17_b
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED17_G }]; #IO_0_14 Sch=led17_g
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { LED17_R }]; #IO_L11N_T1_SRCC_14 Sch=led17_r
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##7 segment display
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN T10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CA }]; #IO_L24N_T3_A00_D16_14 Sch=ca
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CB }]; #IO_25_14 Sch=cb
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN K16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CC }]; #IO_25_15 Sch=cc
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN K13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CD }]; #IO_L17P_T2_A26_15 Sch=cd
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN P15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CE }]; #IO_L13P_T2_MRCC_14 Sch=ce
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CF }]; #IO_L19P_T3_A10_D26_14 Sch=cf
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN L18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CG }]; #IO_L4P_T0_D04_14 Sch=cg
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { DP }]; #IO_L19N_T3_A21_VREF_15 Sch=dp
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN J17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { AN[0] }]; #IO_L23P_T3_FOE_B_15 Sch=an[0]
|
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { AN[1] }]; #IO_L23N_T3_FWE_B_15 Sch=an[1]
|
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T9 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { AN[2] }]; #IO_L24P_T3_A01_D17_14 Sch=an[2]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { AN[3] }]; #IO_L19P_T3_A22_15 Sch=an[3]
|
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN P14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { AN[4] }]; #IO_L8N_T1_D12_14 Sch=an[4]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { AN[5] }]; #IO_L14P_T2_SRCC_14 Sch=an[5]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN K2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { AN[6] }]; #IO_L23P_T3_35 Sch=an[6]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN U13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { AN[7] }]; #IO_L23N_T3_A02_D18_14 Sch=an[7]
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##Buttons
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { CPU_RESETN }]; #IO_L3P_T0_DQS_AD1P_15 Sch=cpu_resetn
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN N17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { BTNC }]; #IO_L9P_T1_DQS_14 Sch=btnc
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN M18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { BTNU }]; #IO_L4N_T0_D05_14 Sch=btnu
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN P17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { BTNL }]; #IO_L12P_T1_MRCC_14 Sch=btnl
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN M17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { BTNR }]; #IO_L10N_T1_D15_14 Sch=btnr
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN P18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { BTND }]; #IO_L9N_T1_DQS_D13_14 Sch=btnd
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##Pmod Headers
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##Pmod Header JA
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JA[1] }]; #IO_L20N_T3_A19_15 Sch=ja[1]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN D18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JA[2] }]; #IO_L21N_T3_DQS_A18_15 Sch=ja[2]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN E18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JA[3] }]; #IO_L21P_T3_DQS_15 Sch=ja[3]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JA[4] }]; #IO_L18N_T2_A23_15 Sch=ja[4]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN D17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JA[7] }]; #IO_L16N_T2_A27_15 Sch=ja[7]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN E17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JA[8] }]; #IO_L16P_T2_A28_15 Sch=ja[8]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN F18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JA[9] }]; #IO_L22N_T3_A16_15 Sch=ja[9]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JA[10] }]; #IO_L22P_T3_A17_15 Sch=ja[10]
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##Pmod Header JB
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN D14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JB[1] }]; #IO_L1P_T0_AD0P_15 Sch=jb[1]
|
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN F16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JB[2] }]; #IO_L14N_T2_SRCC_15 Sch=jb[2]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JB[3] }]; #IO_L13N_T2_MRCC_15 Sch=jb[3]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JB[4] }]; #IO_L15P_T2_DQS_15 Sch=jb[4]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN E16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JB[7] }]; #IO_L11N_T1_SRCC_15 Sch=jb[7]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN F13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JB[8] }]; #IO_L5P_T0_AD9P_15 Sch=jb[8]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JB[9] }]; #IO_0_15 Sch=jb[9]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JB[10] }]; #IO_L13P_T2_MRCC_15 Sch=jb[10]
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##Pmod Header JC
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN K1 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JC[1] }]; #IO_L23N_T3_35 Sch=jc[1]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN F6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JC[2] }]; #IO_L19N_T3_VREF_35 Sch=jc[2]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JC[3] }]; #IO_L22N_T3_35 Sch=jc[3]
|
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JC[4] }]; #IO_L19P_T3_35 Sch=jc[4]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN E7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JC[7] }]; #IO_L6P_T0_35 Sch=jc[7]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JC[8] }]; #IO_L22P_T3_35 Sch=jc[8]
|
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JC[9] }]; #IO_L21P_T3_DQS_35 Sch=jc[9]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN E6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JC[10] }]; #IO_L5P_T0_AD13P_35 Sch=jc[10]
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||||||
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|
##Pmod Header JD
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN H4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JD[1] }]; #IO_L21N_T3_DQS_35 Sch=jd[1]
|
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H1 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JD[2] }]; #IO_L17P_T2_35 Sch=jd[2]
|
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G1 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JD[3] }]; #IO_L17N_T2_35 Sch=jd[3]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JD[4] }]; #IO_L20N_T3_35 Sch=jd[4]
|
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JD[7] }]; #IO_L15P_T2_DQS_35 Sch=jd[7]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JD[8] }]; #IO_L20P_T3_35 Sch=jd[8]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JD[9] }]; #IO_L15N_T2_DQS_35 Sch=jd[9]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN F3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { JD[10] }]; #IO_L13N_T2_MRCC_35 Sch=jd[10]
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|
##Pmod Header JXADC
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A14 IOSTANDARD LVDS } [get_ports { XA_N[1] }]; #IO_L9N_T1_DQS_AD3N_15 Sch=xa_n[1]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A13 IOSTANDARD LVDS } [get_ports { XA_P[1] }]; #IO_L9P_T1_DQS_AD3P_15 Sch=xa_p[1]
|
||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A16 IOSTANDARD LVDS } [get_ports { XA_N[2] }]; #IO_L8N_T1_AD10N_15 Sch=xa_n[2]
|
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A15 IOSTANDARD LVDS } [get_ports { XA_P[2] }]; #IO_L8P_T1_AD10P_15 Sch=xa_p[2]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B17 IOSTANDARD LVDS } [get_ports { XA_N[3] }]; #IO_L7N_T1_AD2N_15 Sch=xa_n[3]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN B16 IOSTANDARD LVDS } [get_ports { XA_P[3] }]; #IO_L7P_T1_AD2P_15 Sch=xa_p[3]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A18 IOSTANDARD LVDS } [get_ports { XA_N[4] }]; #IO_L10N_T1_AD11N_15 Sch=xa_n[4]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B18 IOSTANDARD LVDS } [get_ports { XA_P[4] }]; #IO_L10P_T1_AD11P_15 Sch=xa_p[4]
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##VGA Connector
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN A3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_R[0] }]; #IO_L8N_T1_AD14N_35 Sch=vga_r[0]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_R[1] }]; #IO_L7N_T1_AD6N_35 Sch=vga_r[1]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_R[2] }]; #IO_L1N_T0_AD4N_35 Sch=vga_r[2]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_R[3] }]; #IO_L8P_T1_AD14P_35 Sch=vga_r[3]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_G[0] }]; #IO_L1P_T0_AD4P_35 Sch=vga_g[0]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_G[1] }]; #IO_L3N_T0_DQS_AD5N_35 Sch=vga_g[1]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_G[2] }]; #IO_L2N_T0_AD12N_35 Sch=vga_g[2]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_G[3] }]; #IO_L3P_T0_DQS_AD5P_35 Sch=vga_g[3]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN B7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_B[0] }]; #IO_L2P_T0_AD12P_35 Sch=vga_b[0]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_B[1] }]; #IO_L4N_T0_35 Sch=vga_b[1]
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||||||
|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN D7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_B[2] }]; #IO_L6N_T0_VREF_35 Sch=vga_b[2]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN D8 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_B[3] }]; #IO_L4P_T0_35 Sch=vga_b[3]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN B11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_HS }]; #IO_L4P_T0_15 Sch=vga_hs
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN B12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { VGA_VS }]; #IO_L3N_T0_DQS_AD1N_15 Sch=vga_vs
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##Micro SD Connector
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN E2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SD_RESET }]; #IO_L14P_T2_SRCC_35 Sch=sd_reset
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN A1 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SD_CD }]; #IO_L9N_T1_DQS_AD7N_35 Sch=sd_cd
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN B1 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SD_SCK }]; #IO_L9P_T1_DQS_AD7P_35 Sch=sd_sck
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C1 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SD_CMD }]; #IO_L16N_T2_35 Sch=sd_cmd
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SD_DAT[0] }]; #IO_L16P_T2_35 Sch=sd_dat[0]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN E1 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SD_DAT[1] }]; #IO_L18N_T2_35 Sch=sd_dat[1]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN F1 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SD_DAT[2] }]; #IO_L18P_T2_35 Sch=sd_dat[2]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN D2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { SD_DAT[3] }]; #IO_L14N_T2_SRCC_35 Sch=sd_dat[3]
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##Accelerometer
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN E15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ACL_MISO }]; #IO_L11P_T1_SRCC_15 Sch=acl_miso
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN F14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ACL_MOSI }]; #IO_L5N_T0_AD9N_15 Sch=acl_mosi
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN F15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ACL_SCLK }]; #IO_L14P_T2_SRCC_15 Sch=acl_sclk
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN D15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ACL_CSN }]; #IO_L12P_T1_MRCC_15 Sch=acl_csn
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN B13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ACL_INT[1] }]; #IO_L2P_T0_AD8P_15 Sch=acl_int[1]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ACL_INT[2] }]; #IO_L20P_T3_A20_15 Sch=acl_int[2]
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##Temperature Sensor
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { TMP_SCL }]; #IO_L1N_T0_AD0N_15 Sch=tmp_scl
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { TMP_SDA }]; #IO_L12N_T1_MRCC_15 Sch=tmp_sda
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN D13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { TMP_INT }]; #IO_L6N_T0_VREF_15 Sch=tmp_int
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN B14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { TMP_CT }]; #IO_L2N_T0_AD8N_15 Sch=tmp_ct
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##Omnidirectional Microphone
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN J5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { M_CLK }]; #IO_25_35 Sch=m_clk
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN H5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { M_DATA }]; #IO_L24N_T3_35 Sch=m_data
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN F5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { M_LRSEL }]; #IO_0_35 Sch=m_lrsel
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##PWM Audio Amplifier
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN A11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { AUD_PWM }]; #IO_L4N_T0_15 Sch=aud_pwm
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN D12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { AUD_SD }]; #IO_L6P_T0_15 Sch=aud_sd
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##USB-RS232 Interface
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { UART_TXD_IN }]; #IO_L7P_T1_AD6P_35 Sch=uart_txd_in
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN D4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { UART_RXD_OUT }]; #IO_L11N_T1_SRCC_35 Sch=uart_rxd_out
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN D3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { UART_CTS }]; #IO_L12N_T1_MRCC_35 Sch=uart_cts
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN E5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { UART_RTS }]; #IO_L5N_T0_AD13N_35 Sch=uart_rts
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##USB HID (PS/2)
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN F4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { PS2_CLK }]; #IO_L13P_T2_MRCC_35 Sch=ps2_clk
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN B2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { PS2_DATA }]; #IO_L10N_T1_AD15N_35 Sch=ps2_data
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##SMSC Ethernet PHY
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C9 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_MDC }]; #IO_L11P_T1_SRCC_16 Sch=eth_mdc
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN A9 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_MDIO }]; #IO_L14N_T2_SRCC_16 Sch=eth_mdio
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN B3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_RSTN }]; #IO_L10P_T1_AD15P_35 Sch=eth_rstn
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN D9 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_CRSDV }]; #IO_L6N_T0_VREF_16 Sch=eth_crsdv
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_RXERR }]; #IO_L13N_T2_MRCC_16 Sch=eth_rxerr
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN C11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_RXD[0] }]; #IO_L13P_T2_MRCC_16 Sch=eth_rxd[0]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN D10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_RXD[1] }]; #IO_L19N_T3_VREF_16 Sch=eth_rxd[1]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B9 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_TXEN }]; #IO_L11N_T1_SRCC_16 Sch=eth_txen
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN A10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_TXD[0] }]; #IO_L14P_T2_SRCC_16 Sch=eth_txd[0]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A8 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_TXD[1] }]; #IO_L12N_T1_MRCC_16 Sch=eth_txd[1]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN D5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_REFCLK }]; #IO_L11P_T1_SRCC_35 Sch=eth_refclk
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN B8 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { ETH_INTN }]; #IO_L12P_T1_MRCC_16 Sch=eth_intn
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##Quad SPI Flash
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN K17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { QSPI_DQ[0] }]; #IO_L1P_T0_D00_MOSI_14 Sch=qspi_dq[0]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN K18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { QSPI_DQ[1] }]; #IO_L1N_T0_D01_DIN_14 Sch=qspi_dq[1]
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#set_property -dict { PACKAGE_PIN L14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { QSPI_DQ[2] }]; #IO_L2P_T0_D02_14 Sch=qspi_dq[2]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN M14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { QSPI_DQ[3] }]; #IO_L2N_T0_D03_14 Sch=qspi_dq[3]
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|
#set_property -dict { PACKAGE_PIN L13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { QSPI_CSN }]; #IO_L6P_T0_FCS_B_14 Sch=qspi_csn
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@@ -0,0 +1,96 @@
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## cpu21_board_top.xdc —— Nexys4DDR (xc7a100tcsg324-1) 上板引脚
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## 引脚编号取自 ConstraintsData/Nexys4DDR_Master.xdc（母版默认全部注释）。
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## 只约束 cpu21_board_top 实际使用的端口。
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## 100 MHz 板载时钟（分频器输入）
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set_property -dict { PACKAGE_PIN E3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { clk100 }]
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create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports { clk100 }]
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## CPU 时钟：板上 100 MHz 经 CLK_DIV(=2) 分频到 50 MHz
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## （与 cpu21_board_top.v 的 CLK_DIV 保持一致；改分频比时这里也要改。
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## 乘除法已是多周期单元，不再需要 16 分频；实测 100 MHz 下剩余违例路径是
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## EX 级分支判决/中断保存 → BPB 更新，50 MHz 则余量充足）
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create_generated_clock -name cpu_clk -source [get_ports { clk100 }] \
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-divide_by 2 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
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## 复位按键（CPU_RESETN，低有效）与"继续运行"按键（BTNC）
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set_property -dict { PACKAGE_PIN C12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { rst_n }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN N17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { go }]
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## 拨码开关 SW[2:0] 作为三路中断源
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set_property -dict { PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[0] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN L16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[1] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN M13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[2] }]
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## 16 位 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位
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set_property -dict { PACKAGE_PIN H17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[0] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN K15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[1] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN J13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[2] }]
|
||||||
|
set_property -dict { PACKAGE_PIN N14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[3] }]
|
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN R18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[4] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN V17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[5] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN U17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[6] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN U16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[7] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN V16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[8] }]
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||||||
|
set_property -dict { PACKAGE_PIN T15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[9] }]
|
||||||
|
set_property -dict { PACKAGE_PIN U14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[10] }]
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||||||
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set_property -dict { PACKAGE_PIN T16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[11] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN V15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[12] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN V14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[13] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN V12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[14] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN V11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[15] }]
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## LED16_B：MMIO 写入指示（拉长约 0.34 s @50 MHz）
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set_property -dict { PACKAGE_PIN R12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led_we }]
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## 上板调试时可把 MMIO 写入的 LED 寄存器也引到 LED16_R/G，
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## 但默认只用一个引脚，避免与 led_we 争用。
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## ======================= 扫雷扩展外设 =======================
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## 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
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set_property -dict { PACKAGE_PIN M18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnu }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN P18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnd }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN P17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnl }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN M17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnr }]
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## SW[3]：插旗模式（1 = 点击时插旗/取消旗）
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set_property -dict { PACKAGE_PIN R15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_flag }]
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## 七段数码管（共阳极：位选/段选都是低有效）
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set_property -dict { PACKAGE_PIN T10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[0] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN R10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[1] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN K16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[2] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN K13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[3] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN P15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[4] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN T11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[5] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN L18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[6] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN H15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { dp }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN J17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[0] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN J18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[1] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN T9 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[2] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN J14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[3] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN P14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[4] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN T14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[5] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN K2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[6] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN U13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[7] }]
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## VGA（640x480@60，25 MHz 像素节拍由 CPU 时钟使能产生）
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set_property -dict { PACKAGE_PIN A3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[0] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN B4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[1] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN C5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[2] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN A4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[3] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN C6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[0] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN A5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[1] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN B6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[2] }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN A6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[3] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN B7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[0] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN C7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[1] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN D7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[2] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN D8 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[3] }]
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|
set_property -dict { PACKAGE_PIN B11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_hs }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN B12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_vs }]
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## PS/2 鼠标（可选：Pmod JA 插 Pmod PS2，顶层 USE_PS2_MOUSE=1）
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set_property -dict { PACKAGE_PIN C17 IOSTANDARD LVCMOS33 PULLUP true } [get_ports { ps2_clk }]
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set_property -dict { PACKAGE_PIN D18 IOSTANDARD LVCMOS33 PULLUP true } [get_ports { ps2_data }]
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@@ -0,0 +1,13 @@
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|||||||
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000012B7
|
||||||
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00100313
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||||||
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0062A023
|
||||||
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00131313
|
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00008EB7
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006EE463
|
||||||
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0080006F
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00100313
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0000F3B7
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00100E13
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41C383B3
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FE039EE3
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FD9FF06F
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@@ -0,0 +1,90 @@
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00100293
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FFF00313
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FFF2B513
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00001FB7
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||||||
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00AFA023
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00133513
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00001FB7
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||||||
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00AFA023
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||||||
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0FF00293
|
||||||
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FFF00313
|
||||||
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0062C533
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00001FB7
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00AFA023
|
||||||
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00100293
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||||||
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01F00313
|
||||||
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00629533
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00001FB7
|
||||||
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00AFA023
|
||||||
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FFF00293
|
||||||
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01C00313
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0062D533
|
||||||
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00001FB7
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00AFA023
|
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4062D533
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00001FB7
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||||||
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00AFA023
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4D200293
|
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23700313
|
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|
02628533
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||||||
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00001FB7
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00AFA023
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||||||
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FFF00293
|
||||||
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FFF00313
|
||||||
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02629533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
0262B533
|
||||||
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00001FB7
|
||||||
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00AFA023
|
||||||
|
FFF00293
|
||||||
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00200313
|
||||||
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0262A533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFF00293
|
||||||
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00506863
|
||||||
|
10100513
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00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
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60100513
|
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|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFF00293
|
||||||
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0002DA63
|
||||||
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60200513
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
0100006F
|
||||||
|
10200513
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFF00293
|
||||||
|
0002F863
|
||||||
|
10300513
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
60300513
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFD00493
|
||||||
|
00900533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
00148493
|
||||||
|
FE9058E3
|
||||||
|
00300293
|
||||||
|
00500533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFF28293
|
||||||
|
00100393
|
||||||
|
FE72F6E3
|
||||||
|
00400493
|
||||||
|
00900533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFF48493
|
||||||
|
FE9068E3
|
||||||
|
00A00893
|
||||||
|
00000073
|
||||||
@@ -0,0 +1,19 @@
|
|||||||
|
123452B7
|
||||||
|
00500533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFFFF2B7
|
||||||
|
00500533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
800002B7
|
||||||
|
00500533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
123452B7
|
||||||
|
67828293
|
||||||
|
00500533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
00A00893
|
||||||
|
00000073
|
||||||
@@ -0,0 +1,16 @@
|
|||||||
|
000012B7
|
||||||
|
12345337
|
||||||
|
67830313
|
||||||
|
0062A023
|
||||||
|
0002A503
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFF00393
|
||||||
|
0072A023
|
||||||
|
07F00E13
|
||||||
|
01C280A3
|
||||||
|
0002A503
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
00A00893
|
||||||
|
00000073
|
||||||
@@ -0,0 +1,64 @@
|
|||||||
|
00700313
|
||||||
|
00600393
|
||||||
|
02730533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFB00313
|
||||||
|
00400393
|
||||||
|
02730533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
40000337
|
||||||
|
00400393
|
||||||
|
02731533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFF00313
|
||||||
|
00200393
|
||||||
|
02733533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFF00313
|
||||||
|
FFF00393
|
||||||
|
02732533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
06400313
|
||||||
|
00700393
|
||||||
|
02735533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
02737533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFF00313
|
||||||
|
00200393
|
||||||
|
02735533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
00003337
|
||||||
|
03930313
|
||||||
|
00000393
|
||||||
|
02735533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
02737533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
FFF00313
|
||||||
|
01000393
|
||||||
|
02737533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
12345337
|
||||||
|
67830313
|
||||||
|
01000393
|
||||||
|
02730533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
000013B7
|
||||||
|
02731533
|
||||||
|
00001FB7
|
||||||
|
00AFA023
|
||||||
|
00A00893
|
||||||
|
00000073
|
||||||
@@ -0,0 +1,310 @@
|
|||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
`default_nettype none
|
||||||
|
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
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||||||
|
// MMIO：把外设寄存器映射到数据存储器地址空间。
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||||||
|
//
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||||||
|
// 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，
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||||||
|
// 具体改哪几个字节由 wstrb_i 决定，与原来 LED 的语义一致）：
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||||||
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//
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||||||
|
// 0x0000_1000 LED 数据寄存器（**保持原有语义不变**，led_valid_o 拉高一拍）
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||||||
|
// 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）
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||||||
|
// 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）
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||||||
|
//
|
||||||
|
// 鼠标寄存器（基址 0x1100）：
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||||||
|
// +0x00 STATUS RO [0] FIFO 非空 [5:1] 项数 [6] 中断使能 [7] FIFO 满
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||||||
|
// +0x04 DATA RO [7:0] dx [15:8] dy [20:16] 按键（读无副作用）
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||||||
|
// +0x08 ACK WO 写任意值 -> 弹出 FIFO 一项
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||||||
|
// +0x0C CTRL RW [0] 中断使能（复位默认 1）
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||||||
|
// +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
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||||||
|
// +0x1C EVCNT RO 累计鼠标事件数
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||||||
|
// +0x20 LEVEL RW [0] 写 1 -> 拉起 level_irq_o（软件中断，用作"关卡入口"）；
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||||||
|
// 关卡程序返回前要写 0 清掉，否则下次没有上升沿
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||||||
|
// +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）：
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||||||
|
// +0x00 CTRL RW [0] 光标可见 [6:4] 背景色（3 位调色板）
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||||||
|
// +0x04 CURSOR RW [5:0] 列(0..39) [13:8] 行(0..29)
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||||||
|
// +0x08 MAGIC RO 0xCAFE0001
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||||||
|
//
|
||||||
|
// 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
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||||||
|
// 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。
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||||||
|
//
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||||||
|
// 两个中断源：
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||||||
|
// mouse_irq_o = 中断使能 && 事件 FIFO 非空（接 irq_i[0]）
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||||||
|
// 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,
|
||||||
|
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）
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||||||
|
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];
|
||||||
|
|
||||||
|
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];
|
||||||
|
|
||||||
|
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
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 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
|
||||||
@@ -0,0 +1,106 @@
|
|||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
`default_nettype none
|
||||||
|
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// cpu21_pointer —— 把板上的 5 向按键变成"鼠标"事件源（板级顶层用它给 MMIO 送事件）。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 事件单位：1/8 格。按键一次 = 8 个单位 = 光标移动一格，这样软件端用
|
||||||
|
// 纯整数加减（不需要任何除法）就能把累积量换算成格，配合 PS/2 鼠标时
|
||||||
|
// 手感也一致（PS/2 的原始计数直接按 1/8 格处理）。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// BTNU -> dy = -8 BTND -> dy = +8
|
||||||
|
// BTNL -> dx = -8 BTNR -> dx = +8
|
||||||
|
// BTNC -> 左键按下（btn[0] = 1，dx = dy = 0）
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 去抖方式：用 ~1 ms 的采样节拍（50 MHz 下计数 50000）采样两级同步后的按键，
|
||||||
|
// 与上一次的稳定值比较，只在"按下"的边沿产生事件。一次采样可能同时检测到
|
||||||
|
// 多个按下，此时用 press_pend_q 排队，由优先级选择器逐个上报（每个时钟周期
|
||||||
|
// 最多一个事件），因此不会丢按键。
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
module cpu21_pointer #(
|
||||||
|
// 采样节拍 = clk / (SAMPLE_DIV)，默认 50 MHz / 50000 = 1 kHz
|
||||||
|
parameter integer SAMPLE_DIV = 50000
|
||||||
|
) (
|
||||||
|
input wire clk,
|
||||||
|
input wire reset,
|
||||||
|
input wire [4:0] btn_i, // {BTNC, BTNU, BTND, BTNL, BTNR}
|
||||||
|
output wire ev_valid_o, // 单周期脉冲
|
||||||
|
output wire [7:0] ev_dx_o, // 有符号，1/8 格
|
||||||
|
output wire [7:0] ev_dy_o,
|
||||||
|
output wire [4:0] ev_btn_o
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 1 ms 采样节拍
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [15:0] div_q;
|
||||||
|
wire sample = (div_q == (SAMPLE_DIV - 1));
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset)
|
||||||
|
div_q <= 16'd0;
|
||||||
|
else if (sample)
|
||||||
|
div_q <= 16'd0;
|
||||||
|
else
|
||||||
|
div_q <= div_q + 16'd1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 两级同步 + 采样保持（采样率远低于按键抖动频率，等效去抖）
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [4:0] btn_sync1_q, btn_sync2_q, btn_stable_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset) begin
|
||||||
|
btn_sync1_q <= 5'b0;
|
||||||
|
btn_sync2_q <= 5'b0;
|
||||||
|
btn_stable_q <= 5'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
btn_sync1_q <= btn_i;
|
||||||
|
btn_sync2_q <= btn_sync1_q;
|
||||||
|
if (sample)
|
||||||
|
btn_stable_q <= btn_sync2_q;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// 只在按下的边沿产生新事件
|
||||||
|
wire [4:0] press_new = sample ? (btn_sync2_q & ~btn_stable_q) : 5'b0;
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 待上报队列 + 优先级选择（每周期最多上报一个）
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [4:0] press_pend_q;
|
||||||
|
wire [4:0] pend_next = press_pend_q | press_new;
|
||||||
|
|
||||||
|
reg [4:0] sel;
|
||||||
|
always @* begin
|
||||||
|
sel = 5'b0;
|
||||||
|
if (pend_next[4])
|
||||||
|
sel = 5'b10000; // BTNC：点击
|
||||||
|
else if (pend_next[3])
|
||||||
|
sel = 5'b01000; // BTNU：上
|
||||||
|
else if (pend_next[2])
|
||||||
|
sel = 5'b00010; // BTND：下
|
||||||
|
else if (pend_next[1])
|
||||||
|
sel = 5'b00001; // BTNL：左
|
||||||
|
else if (pend_next[0])
|
||||||
|
sel = 5'b00100; // BTNR：右
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset)
|
||||||
|
press_pend_q <= 5'b0;
|
||||||
|
else
|
||||||
|
press_pend_q <= pend_next & ~sel;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
assign ev_valid_o = |pend_next;
|
||||||
|
assign ev_dx_o = sel[1] ? 8'd248 : (sel[0] ? 8'd8 : 8'd0); // 248 = -8 的补码
|
||||||
|
assign ev_dy_o = sel[3] ? 8'd248 : (sel[2] ? 8'd8 : 8'd0);
|
||||||
|
assign ev_btn_o = {4'b0, sel[4]};
|
||||||
|
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
||||||
|
`default_nettype wire
|
||||||
|
Tcl 一键重建
|
||||||
@@ -0,0 +1,145 @@
|
|||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
`default_nettype none
|
||||||
|
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// cpu21_ps2_mouse —— 可选的真鼠标输入：PS/2 鼠标（Digilent Pmod PS2 插在 JA 上）。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// JA[1] = PS/2 DATA，JA[2] = PS/2 CLK（两条线都需要上拉，见 XDC 里的 PULLUP）。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 注意：本模块没有在真实硬件上验证过（作者手头没有 PS/2 鼠标），如果你不用真
|
||||||
|
// 鼠标，请让顶层用 cpu21_pointer（5 向按键）作为事件源即可，C 程序完全不用改。
|
||||||
|
// 板级顶层 cpu21_board_top 用参数 USE_PS2_MOUSE 选择这两者。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 实现内容：
|
||||||
|
// 1) 接收：在 ps2_clk 的下降沿采样 ps2_data，收满 11 位（起始 0 + 8 数据
|
||||||
|
// LSB 先 + 奇校验 + 停止 1）后校验并拼成 3 字节一包；
|
||||||
|
// 2) 解析：byte0 = 标志（bit0 左键、bit1 右键、bit3 固定 1），byte1 = dx，
|
||||||
|
// byte2 = dy，bit7 为符号位；
|
||||||
|
// 3) 上报：当 dx/dy 非 0 或按键状态变化时产生一个事件（单位与
|
||||||
|
// cpu21_pointer 相同，即原始计数 = 1/8 格）；
|
||||||
|
// 4) 本模块只做"接收"，不实现主机→鼠标的命令发送（0xF4 使能上报）。多数
|
||||||
|
// PS/2 鼠标上电后就会主动上报，这类鼠标可以直接用；如果你的鼠标上电毫无
|
||||||
|
// 反应，说明它需要主机先发 0xF4 —— 那部分需要自行补上，或者直接用默认的
|
||||||
|
// 5 向按键（cpu21_pointer），C 程序完全不用改。
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
module cpu21_ps2_mouse (
|
||||||
|
input wire clk,
|
||||||
|
input wire reset,
|
||||||
|
// PS/2 双向线（开漏）
|
||||||
|
input wire ps2_clk_i,
|
||||||
|
output wire ps2_clk_oe_o,
|
||||||
|
input wire ps2_data_i,
|
||||||
|
output wire ps2_data_oe_o,
|
||||||
|
// 事件上报
|
||||||
|
output reg ev_valid_o,
|
||||||
|
output reg [7:0] ev_dx_o,
|
||||||
|
output reg [7:0] ev_dy_o,
|
||||||
|
output reg [4:0] ev_btn_o,
|
||||||
|
// 调试：收到的字节数（可选观察）
|
||||||
|
output reg [15:0] rx_count_o
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// 开漏：oe = 1 时把线拉低，否则高阻（外部上拉）
|
||||||
|
assign ps2_clk_oe_o = 1'b0; // 本设计只接收，不主动拉低时钟（除了初始化）
|
||||||
|
assign ps2_data_oe_o = init_oe;
|
||||||
|
。本模块只接收，两条线都不驱动。
|
||||||
|
assign ps2_clk_oe_o = 1'b0;
|
||||||
|
assign ps2_data_oe_o = 1'b02_data_s1, ps2_data_s2;
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset) begin
|
||||||
|
ps2_clk_s1 <= 1'b1;
|
||||||
|
ps2_clk_s2 <= 1'b1;
|
||||||
|
ps2_data_s1 <= 1'b1;
|
||||||
|
ps2_data_s2 <= 1'b1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
ps2_clk_s1 <= ps2_clk_i;
|
||||||
|
ps2_clk_s2 <= ps2_clk_s1;
|
||||||
|
ps2_data_s1 <= ps2_data_i;
|
||||||
|
ps2_data_s2 <= ps2_data_s1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
wire clk_fall = ~ps2_clk_s1 & ps2_clk_s2; // 同步后的下降沿
|
||||||
|
wire clk_rise = ps2_clk_s1 & ~ps2_clk_s2;
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 接收移位：11 位一帧，bit0 = 起始位，bit1..8 = 数据，bit9 = 校验，bit10 = 停止
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [3:0] bit_cnt_q;
|
||||||
|
reg [10:0] frame_q;
|
||||||
|
reg frame_ok_q;
|
||||||
|
reg [23:0] pkt_q; // 3 字节包
|
||||||
|
reg [1:0] pkt_cnt_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
reg [7:0] byte_cnt_q; // 一包内的字节序号（0..2）
|
||||||
|
reg [7:0] dx_q, dy_q;
|
||||||
|
reg [4:0] btn_q; // {4'b0, middle, right, left} -> 只取低 3 位使用
|
||||||
|
|
||||||
|
// 校验：11 位中 1 的个数应为奇数（奇校验）
|
||||||
|
function automatic odd_parity_ok(input [10:0] f);
|
||||||
|
odd_parity_ok = ^{f[9:1]}; // data + parity 共 9 位，1 的个数应为偶数
|
||||||
|
endfunction
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset) begin
|
||||||
|
bit_cnt_q <= 4'd0;
|
||||||
|
frame_q <= 11'd0;
|
||||||
|
frame_ok_q <= 1'b0;
|
||||||
|
byte_cnt_q <= 8'd0;
|
||||||
|
pkt_q <= 24'd0;
|
||||||
|
rx_count_o <= 16'd0;
|
||||||
|
ev_valid_o <= 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
ev_valid_o <= 1'b0;
|
||||||
|
|
||||||
|
if (clk_fall) begin
|
||||||
|
if (bit_cnt_q == 4'd0 && ps2_data_s2 == 1'b0) begin
|
||||||
|
// 起始位有效，开始收
|
||||||
|
frame_q <= {ps2_data_s2, frame_q[10:1]};
|
||||||
|
bit_cnt_q <= 4'd1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (bit_cnt_q != 4'd0) begin
|
||||||
|
frame_q <= {ps2_data_s2, frame_q[10:1]};
|
||||||
|
if (bit_cnt_q == 4'd10) begin
|
||||||
|
bit_cnt_q <= 4'd0;
|
||||||
|
// f = {停止, 校验, 8 数据, 起始}，这里只关心数据与校验
|
||||||
|
if (odd_parity_ok(frame_q) && (frame_q[10] == 1'b1)) begin
|
||||||
|
rx_count_o <= rx_count_o + 16'd1;
|
||||||
|
case (byte_cnt_q)
|
||||||
|
8'd0: begin
|
||||||
|
// 标志字节：bit3 必须为 1（否则是鼠标发来的其他响应，丢弃）
|
||||||
|
if (frame_q[8:1][3] == 1'b1) begin
|
||||||
|
pkt_q[7:0] <= frame_q[8:1];
|
||||||
|
byte_cnt_q <= 8'd1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
8'd1: begin
|
||||||
|
pkt_q[15:8] <= frame_q[8:1]; // dx
|
||||||
|
byte_cnt_q <= 8'd2;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
8'd2: begin
|
||||||
|
byte_cnt_q <= 8'd0;
|
||||||
|
ev_dx_o <= frame_q[8:1]; // dy
|
||||||
|
ev_dy_o <= pkt_q[15:8]; // 注意：byte1 是 dx
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||||||
|
ev_btn_o <= {2'b0, pkt_q[2], pkt_q[1]}; // {middle, right, left}
|
||||||
|
ev_valid_o <= 1'b1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
default:
|
||||||
|
byte_cnt_q <= 8'd0;
|
||||||
|
endcase
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
bit_cnt_q <= bit_cnt_q + 4'd1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
||||||
|
`default_nettype wire
|
||||||
|
Tcl 一键重建
|
||||||
@@ -0,0 +1,65 @@
|
|||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
`default_nettype none
|
||||||
|
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// ALU：组合运算单元（只做加减/移位/逻辑/比较等单拍运算）。
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||||||
|
//
|
||||||
|
// 乘法与除法已移到 cpu21_riscv_muldiv.v（时序多周期单元），因为组合的 a*b / a%b
|
||||||
|
// 关键路径过长（综合后约 94 ns，100 MHz 下无法收敛）。因此本模块不再实现
|
||||||
|
// ALU_MUL / ALU_DIVU：这两个操作码只作为“这是乘除法指令”的标识，对应结果由
|
||||||
|
// 顶层从 muldiv 的输出选取（result2 的 wb_sel=3 约定保持不变）。
|
||||||
|
//
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||||||
|
// result 为主结果；result2 为第二结果，由译码器用 wb_sel=3 选取。
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
module cpu21_riscv_alu (
|
||||||
|
input wire [ 3:0] op,
|
||||||
|
input wire [31:0] a,
|
||||||
|
input wire [31:0] b,
|
||||||
|
output reg [31:0] result,
|
||||||
|
output reg [31:0] result2
|
||||||
|
);
|
||||||
|
localparam ALU_SLL = 4'd0;
|
||||||
|
localparam ALU_SRA = 4'd1;
|
||||||
|
localparam ALU_SRL = 4'd2;
|
||||||
|
localparam ALU_MUL = 4'd3;
|
||||||
|
localparam ALU_DIVU = 4'd4;
|
||||||
|
localparam ALU_ADD = 4'd5;
|
||||||
|
localparam ALU_SUB = 4'd6;
|
||||||
|
localparam ALU_AND = 4'd7;
|
||||||
|
localparam ALU_OR = 4'd8;
|
||||||
|
localparam ALU_XOR = 4'd9;
|
||||||
|
localparam ALU_NOR = 4'd10;
|
||||||
|
localparam ALU_SLT = 4'd11;
|
||||||
|
localparam ALU_SLTU = 4'd12;
|
||||||
|
localparam ALU_MULH = 4'd13;
|
||||||
|
localparam ALU_MULHSU = 4'd14;
|
||||||
|
localparam ALU_PASSB = 4'd15; // 直接输出 B 端（供 LUI 使用）
|
||||||
|
|
||||||
|
always @* begin
|
||||||
|
result = 32'b0;
|
||||||
|
result2 = 32'b0;
|
||||||
|
case (op)
|
||||||
|
ALU_SLL: result = a << b[4:0];
|
||||||
|
ALU_SRA: result = $signed(a) >>> b[4:0];
|
||||||
|
ALU_SRL: result = a >> b[4:0];
|
||||||
|
// 乘法（ALU_MUL）与除法（ALU_DIVU）在本模块内不产生结果：
|
||||||
|
// 它们由 cpu21_riscv_muldiv 多周期单元完成，顶层用 ex_muldiv 选择其输出。
|
||||||
|
ALU_MUL: ;
|
||||||
|
ALU_DIVU: ;
|
||||||
|
ALU_ADD: result = a + b;
|
||||||
|
ALU_SUB: result = a - b;
|
||||||
|
ALU_AND: result = a & b;
|
||||||
|
ALU_OR: result = a | b;
|
||||||
|
ALU_XOR: result = a ^ b;
|
||||||
|
ALU_NOR: result = ~(a | b);
|
||||||
|
ALU_SLT: result = ($signed(a) < $signed(b)) ? 32'd1 : 32'd0;
|
||||||
|
ALU_SLTU: result = (a < b) ? 32'd1 : 32'd0;
|
||||||
|
ALU_MULH: ;
|
||||||
|
ALU_MULHSU: ;
|
||||||
|
ALU_PASSB: result = b;
|
||||||
|
default: result = 32'b0;
|
||||||
|
endcase
|
||||||
|
end
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
||||||
|
`default_nettype wire
|
||||||
@@ -18,7 +18,9 @@ module cpu21_riscv_branch_unit (
|
|||||||
input wire beq_i,
|
input wire beq_i,
|
||||||
input wire bne_i,
|
input wire bne_i,
|
||||||
input wire blt_i,
|
input wire blt_i,
|
||||||
|
input wire bge_i,
|
||||||
input wire bltu_i,
|
input wire bltu_i,
|
||||||
|
input wire bgeu_i,
|
||||||
input wire jal_i,
|
input wire jal_i,
|
||||||
input wire jalr_i,
|
input wire jalr_i,
|
||||||
// IF 级携带过来的预测信息
|
// IF 级携带过来的预测信息
|
||||||
@@ -31,15 +33,20 @@ module cpu21_riscv_branch_unit (
|
|||||||
output wire redirect_valid_o,
|
output wire redirect_valid_o,
|
||||||
output wire [31:0] redirect_pc_o
|
output wire [31:0] redirect_pc_o
|
||||||
);
|
);
|
||||||
// 条件分支裁决：beq 相等、bne 不等、blt 有符号小于、bltu 无符号小于。
|
// 比较结果预先算好，避免表达式过长被自动换行拆散。
|
||||||
|
wire lt_signed = $signed(src1_i) < $signed(src2_i);
|
||||||
|
wire ge_signed = $signed(src1_i) >= $signed(src2_i);
|
||||||
|
wire lt_unsigned = src1_i < src2_i;
|
||||||
|
wire ge_unsigned = src1_i >= src2_i;
|
||||||
|
|
||||||
|
// 条件分支裁决：beq 相等、bne 不等、blt/bge 有符号比较、bltu/bgeu 无符号比较。
|
||||||
assign branch_taken_o = branch_i &&
|
assign branch_taken_o = branch_i &&
|
||||||
((beq_i && (src1_i == src2_i)) ||
|
((beq_i && (src1_i == src2_i)) ||
|
||||||
(bne_i && (src1_i != src2_i)) ||
|
(bne_i && (src1_i != src2_i)) ||
|
||||||
(blt_i && ($signed(
|
(blt_i && lt_signed) ||
|
||||||
src1_i
|
(bge_i && ge_signed) ||
|
||||||
) < $signed(
|
(bltu_i && lt_unsigned) ||
|
||||||
src2_i
|
(bgeu_i && ge_unsigned));
|
||||||
))) || (bltu_i && (src1_i < src2_i)));
|
|
||||||
|
|
||||||
// 跳转目标：jalr 为 (rs1+imm) 且最低位清零；jal 为 PC+imm。
|
// 跳转目标：jalr 为 (rs1+imm) 且最低位清零；jal 为 PC+imm。
|
||||||
assign target_o = jalr_i ? ((src1_i + imm_i) & 32'hffff_fffe) : (pc_i + imm_i);
|
assign target_o = jalr_i ? ((src1_i + imm_i) & 32'hffff_fffe) : (pc_i + imm_i);
|
||||||
@@ -17,6 +17,7 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
output reg [31:0] imm_o,
|
output reg [31:0] imm_o,
|
||||||
output reg [ 3:0] alu_op_o,
|
output reg [ 3:0] alu_op_o,
|
||||||
output reg [ 2:0] wb_sel_o,
|
output reg [ 2:0] wb_sel_o,
|
||||||
|
output reg [ 2:0] md_op_o,
|
||||||
output wire [11:0] csr_addr_o,
|
output wire [11:0] csr_addr_o,
|
||||||
output reg uses_rs1_o,
|
output reg uses_rs1_o,
|
||||||
output reg uses_rs2_o,
|
output reg uses_rs2_o,
|
||||||
@@ -29,7 +30,9 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
output reg beq_o,
|
output reg beq_o,
|
||||||
output reg bne_o,
|
output reg bne_o,
|
||||||
output reg blt_o,
|
output reg blt_o,
|
||||||
|
output reg bge_o,
|
||||||
output reg bltu_o,
|
output reg bltu_o,
|
||||||
|
output reg bgeu_o,
|
||||||
output reg jal_o,
|
output reg jal_o,
|
||||||
output reg jalr_o,
|
output reg jalr_o,
|
||||||
output reg ecall_o,
|
output reg ecall_o,
|
||||||
@@ -47,6 +50,8 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
localparam OP_BRANCH = 5'h18;
|
localparam OP_BRANCH = 5'h18;
|
||||||
localparam OP_JAL = 5'h1b;
|
localparam OP_JAL = 5'h1b;
|
||||||
localparam OP_SYS = 5'h1c;
|
localparam OP_SYS = 5'h1c;
|
||||||
|
// LUI 为扩展指令（标准 RISC-V opcode 0x37 -> IR[6:2]=0x0d）。
|
||||||
|
localparam OP_LUI = 5'h0d;
|
||||||
|
|
||||||
localparam ALU_SLL = 4'd0;
|
localparam ALU_SLL = 4'd0;
|
||||||
localparam ALU_SRA = 4'd1;
|
localparam ALU_SRA = 4'd1;
|
||||||
@@ -60,6 +65,18 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
localparam ALU_XOR = 4'd9;
|
localparam ALU_XOR = 4'd9;
|
||||||
localparam ALU_SLT = 4'd11;
|
localparam ALU_SLT = 4'd11;
|
||||||
localparam ALU_SLTU = 4'd12;
|
localparam ALU_SLTU = 4'd12;
|
||||||
|
localparam ALU_MULH = 4'd13;
|
||||||
|
localparam ALU_MULHSU = 4'd14;
|
||||||
|
localparam ALU_PASSB = 4'd15; // LUI：直接输出 B 端（立即数）
|
||||||
|
|
||||||
|
// 乘除法单元（cpu21_riscv_muldiv）的操作编码，MD_NONE 表示非乘除法指令。
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_NONE = 3'd0;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_MUL = 3'd1;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_MULH = 3'd2;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_MULHSU = 3'd3;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_MULHU = 3'd4;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_DIVU = 3'd5;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_REMU = 3'd6;
|
||||||
|
|
||||||
wire [4:0] opcode = ir_i[6:2];
|
wire [4:0] opcode = ir_i[6:2];
|
||||||
wire [2:0] funct3 = ir_i[14:12];
|
wire [2:0] funct3 = ir_i[14:12];
|
||||||
@@ -76,6 +93,7 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
imm_o = {{20{ir_i[31]}}, ir_i[31:20]};
|
imm_o = {{20{ir_i[31]}}, ir_i[31:20]};
|
||||||
alu_op_o = ALU_ADD;
|
alu_op_o = ALU_ADD;
|
||||||
wb_sel_o = 3'd0;
|
wb_sel_o = 3'd0;
|
||||||
|
md_op_o = MD_NONE;
|
||||||
uses_rs1_o = 1'b0;
|
uses_rs1_o = 1'b0;
|
||||||
uses_rs2_o = 1'b0;
|
uses_rs2_o = 1'b0;
|
||||||
reg_write_o = 1'b0;
|
reg_write_o = 1'b0;
|
||||||
@@ -87,7 +105,9 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
beq_o = 1'b0;
|
beq_o = 1'b0;
|
||||||
bne_o = 1'b0;
|
bne_o = 1'b0;
|
||||||
blt_o = 1'b0;
|
blt_o = 1'b0;
|
||||||
|
bge_o = 1'b0;
|
||||||
bltu_o = 1'b0;
|
bltu_o = 1'b0;
|
||||||
|
bgeu_o = 1'b0;
|
||||||
jal_o = 1'b0;
|
jal_o = 1'b0;
|
||||||
jalr_o = 1'b0;
|
jalr_o = 1'b0;
|
||||||
ecall_o = 1'b0;
|
ecall_o = 1'b0;
|
||||||
@@ -102,13 +122,40 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
uses_rs1_o = 1'b1;
|
uses_rs1_o = 1'b1;
|
||||||
uses_rs2_o = 1'b1;
|
uses_rs2_o = 1'b1;
|
||||||
reg_write_o = 1'b1;
|
reg_write_o = 1'b1;
|
||||||
// 电路中额外的 REMU 控制对应标准 R 型的 funct7=1/funct3=111
|
// M 扩展（funct7=0000001）：mul/mulh/mulhsu/mulhu，以及课程真值表里的
|
||||||
// 形式；此时 ALU 的 result2 即为余数。
|
// divu（funct3=101，商）与 remu（funct3=111，余数）。它们都由多周期
|
||||||
if ((funct7 == 7'b0000001) && (funct3 == 3'b111)) begin
|
// 乘除法单元完成，这里只给出操作类型 md_op_o；mulhu 与 remu 依旧用
|
||||||
alu_op_o = ALU_DIVU;
|
// wb_sel=3 取 result2（高位乘积 / 余数）。
|
||||||
wb_sel_o = 3'd3;
|
if (funct7 == 7'b0000001) begin
|
||||||
end else if ((funct7 == 7'b0000001) && (funct3 == 3'b000)) begin
|
case (funct3)
|
||||||
alu_op_o = ALU_MUL;
|
3'b000: begin // mul：低 32 位
|
||||||
|
alu_op_o = ALU_MUL;
|
||||||
|
md_op_o = MD_MUL;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
3'b001: begin // mulh：有符号高 32 位
|
||||||
|
alu_op_o = ALU_MULH;
|
||||||
|
md_op_o = MD_MULH;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
3'b010: begin // mulhsu：有符号 x 无符号高 32 位
|
||||||
|
alu_op_o = ALU_MULHSU;
|
||||||
|
md_op_o = MD_MULHSU;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
3'b011: begin // mulhu：无符号高 32 位
|
||||||
|
alu_op_o = ALU_MUL;
|
||||||
|
md_op_o = MD_MULHU;
|
||||||
|
wb_sel_o = 3'd3;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
3'b101: begin // divu：无符号商
|
||||||
|
alu_op_o = ALU_DIVU;
|
||||||
|
md_op_o = MD_DIVU;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
3'b111: begin // remu：无符号余数
|
||||||
|
alu_op_o = ALU_DIVU;
|
||||||
|
md_op_o = MD_REMU;
|
||||||
|
wb_sel_o = 3'd3;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
default: reg_write_o = 1'b0;
|
||||||
|
endcase
|
||||||
end else begin
|
end else begin
|
||||||
// 标准 R 型 funct3 译码；add/sub 与 sra/srl 由 funct7[5] 区分。
|
// 标准 R 型 funct3 译码；add/sub 与 sra/srl 由 funct7[5] 区分。
|
||||||
case (funct3)
|
case (funct3)
|
||||||
@@ -125,7 +172,7 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
end
|
end
|
||||||
end
|
end
|
||||||
|
|
||||||
// I 型运算（addi/slli/slti/xori/srai/srli/ori/andi）。
|
// I 型运算（addi/slli/slti/sltiu/xori/srai/srli/ori/andi）。
|
||||||
OP_I: begin
|
OP_I: begin
|
||||||
uses_rs1_o = 1'b1;
|
uses_rs1_o = 1'b1;
|
||||||
alu_src_o = 1'b1;
|
alu_src_o = 1'b1;
|
||||||
@@ -134,6 +181,7 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
3'b000: alu_op_o = ALU_ADD; // addi：立即数加
|
3'b000: alu_op_o = ALU_ADD; // addi：立即数加
|
||||||
3'b001: alu_op_o = ALU_SLL; // slli：立即数逻辑左移
|
3'b001: alu_op_o = ALU_SLL; // slli：立即数逻辑左移
|
||||||
3'b010: alu_op_o = ALU_SLT; // slti：有符号小于置 1
|
3'b010: alu_op_o = ALU_SLT; // slti：有符号小于置 1
|
||||||
|
3'b011: alu_op_o = ALU_SLTU; // sltiu：无符号小于置 1（立即数符号扩展）
|
||||||
3'b100: alu_op_o = ALU_XOR; // xori：立即数异或
|
3'b100: alu_op_o = ALU_XOR; // xori：立即数异或
|
||||||
3'b101:
|
3'b101:
|
||||||
alu_op_o = (funct7[5] ? ALU_SRA : ALU_SRL); // srai/srli：立即数算术/逻辑右移
|
alu_op_o = (funct7[5] ? ALU_SRA : ALU_SRL); // srai/srli：立即数算术/逻辑右移
|
||||||
@@ -143,6 +191,16 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
endcase
|
endcase
|
||||||
end
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// 加载高位立即数 lui：rd = imm[31:12] << 12。
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||||||
|
// 不读寄存器；用 ALU_SRC 选立即数，ALU 直通 B 端输出。
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||||||
|
OP_LUI: begin
|
||||||
|
reg_write_o = 1'b1;
|
||||||
|
alu_src_o = 1'b1;
|
||||||
|
alu_op_o = ALU_PASSB;
|
||||||
|
imm_o = {ir_i[31:12], 12'b0};
|
||||||
|
wb_sel_o = 3'd0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
// 加载指令，当前仅支持 lw（funct3=010）。
|
// 加载指令，当前仅支持 lw（funct3=010）。
|
||||||
OP_LOAD: begin
|
OP_LOAD: begin
|
||||||
if (funct3 == 3'b010) begin
|
if (funct3 == 3'b010) begin
|
||||||
@@ -168,19 +226,22 @@ module cpu21_riscv_decoder (
|
|||||||
end
|
end
|
||||||
end
|
end
|
||||||
|
|
||||||
// 条件分支：beq（000）/bne（001）/blt（100，有符号小于）/bltu（110，无符号小于）。
|
// 条件分支：beq（000）/bne（001）/blt（100）/bge（101）/bltu（110）/bgeu（111）。
|
||||||
OP_BRANCH: begin
|
OP_BRANCH: begin
|
||||||
if ((funct3 == 3'b000) || (funct3 == 3'b001) ||
|
if ((funct3 == 3'b000) || (funct3 == 3'b001) || (funct3 == 3'b100) ||
|
||||||
(funct3 == 3'b100) || (funct3 == 3'b110)) begin
|
(funct3 == 3'b101) || (funct3 == 3'b110) || (funct3 == 3'b111)) begin
|
||||||
uses_rs1_o = 1'b1;
|
uses_rs1_o = 1'b1;
|
||||||
uses_rs2_o = 1'b1;
|
uses_rs2_o = 1'b1;
|
||||||
branch_o = 1'b1;
|
branch_o = 1'b1;
|
||||||
beq_o = (funct3 == 3'b000);
|
beq_o = (funct3 == 3'b000);
|
||||||
bne_o = (funct3 == 3'b001);
|
bne_o = (funct3 == 3'b001);
|
||||||
blt_o = (funct3 == 3'b100);
|
blt_o = (funct3 == 3'b100);
|
||||||
|
bge_o = (funct3 == 3'b101);
|
||||||
bltu_o = (funct3 == 3'b110);
|
bltu_o = (funct3 == 3'b110);
|
||||||
// 真值表：beq/bne 用减法比较，blt 用 ALU_SLT，bltu 用 ALU_SLTU。
|
bgeu_o = (funct3 == 3'b111);
|
||||||
alu_op_o = blt_o ? ALU_SLT : (bltu_o ? ALU_SLTU : ALU_SUB);
|
// 有符号比较用 ALU_SLT、无符号比较用 ALU_SLTU，相等/不等用减法；
|
||||||
|
// 分支是否成立由 EX 级的分支裁决单元决定，这里只与真值表保持一致。
|
||||||
|
alu_op_o = (blt_o || bge_o) ? ALU_SLT : ((bltu_o || bgeu_o) ? ALU_SLTU : ALU_SUB);
|
||||||
imm_o = {{19{ir_i[31]}}, ir_i[31], ir_i[7], ir_i[30:25], ir_i[11:8], 1'b0};
|
imm_o = {{19{ir_i[31]}}, ir_i[31], ir_i[7], ir_i[30:25], ir_i[11:8], 1'b0};
|
||||||
end
|
end
|
||||||
end
|
end
|
||||||
@@ -37,7 +37,10 @@ module cpu21_riscv_hazard_unit (
|
|||||||
|
|
||||||
assign flush_younger_o = take_irq_i || uret_redirect_i || halt_event_i || redirect_valid_i;
|
assign flush_younger_o = take_irq_i || uret_redirect_i || halt_event_i || redirect_valid_i;
|
||||||
|
|
||||||
assign pipeline_stall_o = load_use_hazard_o && !flush_younger_o && !halted_i;
|
// 停顿条件里不再包含 flush_younger：冲刷时 valid 位会被清 0、PC/IF-ID 也由
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||||||
|
// 冲刷分支（优先级高于停顿）处理，同时发生停顿只会多保持一拍 payload，
|
||||||
|
// 不影响正确性。这样可以避免把“冲刷”这条长路径引到 payload 的时钟使能上。
|
||||||
|
assign pipeline_stall_o = load_use_hazard_o && !halted_i;
|
||||||
endmodule
|
endmodule
|
||||||
|
|
||||||
`default_nettype wire
|
`default_nettype wire
|
||||||
@@ -0,0 +1,169 @@
|
|||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
`default_nettype none
|
||||||
|
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 多周期乘除法单元（时序逻辑，32 拍迭代）
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||||||
|
//
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||||||
|
// 原来乘除法直接写在 ALU 里（组合的 a*b / a%b）：综合后关键路径约 94 ns
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||||||
|
// （325 级逻辑、286 个 CARRY4），100 MHz 下无法收敛，只能把板上 100 MHz 分频
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||||||
|
// 到 6.25 MHz 再跑。这里改成移位迭代：
|
||||||
|
// * 乘法：32 拍移位加法得到 64 位乘积；有符号变体先取操作数绝对值，
|
||||||
|
// 迭代结束后按符号对 64 位乘积取负。
|
||||||
|
// * 除法：32 拍恢复余数法得到商与余数；除零按 RISC-V 约定处理
|
||||||
|
// （商为全 1、余数为被除数）。DIVU/REMU 都是无符号运算，不需要符号修正。
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||||||
|
//
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||||||
|
// 顶层的 EX 级会停留若干拍（往 EX/MEM 插气泡）等待 done_o 有效，然后照常写回。
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||||||
|
// 迭代期间顶层会屏蔽中断，避免在结果未定型时提前推进流水线。
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||||||
|
//
|
||||||
|
// op_i 编码（由 cpu21_riscv_decoder 给出，MD_NONE 表示不是乘除法指令）：
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||||||
|
// MD_MUL mul ：无符号乘积低 32 位（有符号乘法的低 32 位与之相同）
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||||||
|
// MD_MULH mulh ：有符号 x 有符号，取高 32 位
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||||||
|
// MD_MULHSU mulhsu ：有符号 x 无符号，取高 32 位
|
||||||
|
// MD_MULHU mulhu ：无符号 x 无符号，取高 32 位
|
||||||
|
// MD_DIVU divu ：无符号商
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||||||
|
// MD_REMU remu ：无符号余数
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||||||
|
//
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||||||
|
// result_o / result2_o 的含义与原来的 ALU 保持一致：乘法时 result_o 为低 32 位、
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||||||
|
// result2_o 为高 32 位；除法时 result_o 为商、result2_o 为余数。译码器用 wb_sel
|
||||||
|
// 决定写回哪一个（mulhu、remu 用 wb_sel=3 取 result2），因此顶层只需把这一对
|
||||||
|
// 结果接到原来的 EX 结果总线上，其余流水逻辑不用改。
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
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||||||
|
module cpu21_riscv_muldiv (
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||||||
|
input wire clk,
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||||||
|
input wire reset, // 异步复位，高有效（与顶层一致）
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||||||
|
input wire start_i, // 指令在 EX 级且是乘除法（电平，模块内部只在空闲时响应）
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||||||
|
input wire [2:0] op_i, // 乘除法操作类型
|
||||||
|
input wire [31:0] a_i, // EX 级 src1
|
||||||
|
input wire [31:0] b_i, // EX 级 src2（ALU 的 B 端）
|
||||||
|
output wire busy_o, // 迭代中（不含结果定型那一拍）
|
||||||
|
output wire done_o, // 结果有效（单拍，此时顶层推进流水线）
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||||||
|
output wire [31:0] result_o, // 主结果
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||||||
|
output wire [31:0] result2_o // 第二结果（乘法高 32 位 / 除法余数）
|
||||||
|
);
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_NONE = 3'd0;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_MUL = 3'd1;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_MULH = 3'd2;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_MULHSU = 3'd3;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_MULHU = 3'd4;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_DIVU = 3'd5;
|
||||||
|
localparam [2:0] MD_REMU = 3'd6;
|
||||||
|
|
||||||
|
localparam [1:0] S_IDLE = 2'd0;
|
||||||
|
localparam [1:0] S_RUN = 2'd1;
|
||||||
|
localparam [1:0] S_DONE = 2'd2;
|
||||||
|
|
||||||
|
reg [ 1:0] state_q;
|
||||||
|
reg [ 5:0] cnt_q; // 0..32：0..31 为迭代，32 为结果定型
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||||||
|
reg [ 2:0] op_q;
|
||||||
|
reg is_div_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// 乘法数据通路：64 位被乘数（每拍左移）、32 位乘数（每拍右移）、64 位累加器。
|
||||||
|
reg [63:0] mcand_q;
|
||||||
|
reg [31:0] mplier_q;
|
||||||
|
reg [63:0] prod_q;
|
||||||
|
reg sign_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// 除法数据通路：32 位除数、32 位商/被除数移位寄存器、33 位余数。
|
||||||
|
reg [31:0] dvsr_q;
|
||||||
|
reg [31:0] quo_q;
|
||||||
|
reg [32:0] rem_q;
|
||||||
|
reg [31:0] dvd_q; // 原始被除数（除零时原样返回）
|
||||||
|
reg div_zero_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// 结果寄存器。
|
||||||
|
reg [31:0] res_q;
|
||||||
|
reg [31:0] res2_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
assign busy_o = (state_q == S_RUN);
|
||||||
|
assign done_o = (state_q == S_DONE);
|
||||||
|
assign result_o = res_q;
|
||||||
|
assign result2_o = res2_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// 乘法操作数准备：按操作类型决定是否取绝对值，并给出结果符号。
|
||||||
|
wire a_signed = (op_i == MD_MULH) || (op_i == MD_MULHSU);
|
||||||
|
wire b_signed = (op_i == MD_MULH);
|
||||||
|
wire [31:0] a_mag = (a_signed && a_i[31]) ? (~a_i + 32'd1) : a_i;
|
||||||
|
wire [31:0] b_mag = (b_signed && b_i[31]) ? (~b_i + 32'd1) : b_i;
|
||||||
|
wire sign_in = ((op_i == MD_MULH) && (a_i[31] ^ b_i[31])) || ((op_i == MD_MULHSU) && a_i[31]);
|
||||||
|
|
||||||
|
// 除法的一步（恢复余数法）：把被除数最高位移进余数，够减则减并把商位置 1。
|
||||||
|
wire [32:0] rem_shift = {rem_q[31:0], quo_q[31]};
|
||||||
|
wire rem_ge = (rem_shift >= {1'b0, dvsr_q});
|
||||||
|
wire [32:0] rem_next = rem_ge ? (rem_shift - {1'b0, dvsr_q}) : rem_shift;
|
||||||
|
wire [31:0] quo_next = {quo_q[30:0], rem_ge};
|
||||||
|
|
||||||
|
// 迭代结束时的符号修正：prod_mag 为无符号乘积，sign_q 为 1 时取负。
|
||||||
|
wire [63:0] prod_fix = sign_q ? (~prod_q + 64'd1) : prod_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset) begin
|
||||||
|
state_q <= S_IDLE;
|
||||||
|
cnt_q <= 6'd0;
|
||||||
|
op_q <= MD_NONE;
|
||||||
|
is_div_q <= 1'b0;
|
||||||
|
mcand_q <= 64'd0;
|
||||||
|
mplier_q <= 32'd0;
|
||||||
|
prod_q <= 64'd0;
|
||||||
|
sign_q <= 1'b0;
|
||||||
|
dvsr_q <= 32'd0;
|
||||||
|
quo_q <= 32'd0;
|
||||||
|
rem_q <= 33'd0;
|
||||||
|
dvd_q <= 32'd0;
|
||||||
|
div_zero_q <= 1'b0;
|
||||||
|
res_q <= 32'd0;
|
||||||
|
res2_q <= 32'd0;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
case (state_q)
|
||||||
|
// 空闲：指令进入 EX 且是乘除法时装载操作数，下一拍开始迭代。
|
||||||
|
S_IDLE: begin
|
||||||
|
if (start_i) begin
|
||||||
|
state_q <= S_RUN;
|
||||||
|
cnt_q <= 6'd0;
|
||||||
|
op_q <= op_i;
|
||||||
|
is_div_q <= (op_i == MD_DIVU) || (op_i == MD_REMU);
|
||||||
|
// 乘法初始化（先取绝对值，符号留到最后修正）。
|
||||||
|
mcand_q <= {32'b0, a_mag};
|
||||||
|
mplier_q <= b_mag;
|
||||||
|
prod_q <= 64'd0;
|
||||||
|
sign_q <= sign_in;
|
||||||
|
// 除法初始化（无符号）。
|
||||||
|
dvsr_q <= b_i;
|
||||||
|
quo_q <= a_i;
|
||||||
|
rem_q <= 33'd0;
|
||||||
|
dvd_q <= a_i;
|
||||||
|
div_zero_q <= (b_i == 32'd0);
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// 迭代：cnt 0..31 各走一步，32 拍后把结果定型。
|
||||||
|
S_RUN: begin
|
||||||
|
if (cnt_q == 6'd32) begin
|
||||||
|
state_q <= S_DONE;
|
||||||
|
if (is_div_q) begin
|
||||||
|
res_q <= div_zero_q ? 32'hffff_ffff : quo_q;
|
||||||
|
res2_q <= div_zero_q ? dvd_q : rem_q[31:0];
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
res_q <= (op_q == MD_MULHU || op_q == MD_MUL) ? prod_fix[31:0] : prod_fix[63:32];
|
||||||
|
res2_q <= prod_fix[63:32];
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
cnt_q <= cnt_q + 6'd1;
|
||||||
|
if (is_div_q) begin
|
||||||
|
rem_q <= rem_next;
|
||||||
|
quo_q <= quo_next;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
prod_q <= mplier_q[0] ? (prod_q + mcand_q) : prod_q;
|
||||||
|
mcand_q <= {mcand_q[62:0], 1'b0};
|
||||||
|
mplier_q <= {1'b0, mplier_q[31:1]};
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// 结果有效一拍，顶层据此推进流水线；随后回到空闲。
|
||||||
|
default: state_q <= S_IDLE;
|
||||||
|
endcase
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
||||||
|
`default_nettype wire
|
||||||
@@ -12,7 +12,7 @@ module cpu21_riscv_perf_counters (
|
|||||||
input wire clk,
|
input wire clk,
|
||||||
input wire reset,
|
input wire reset,
|
||||||
input wire inc_cycle_i, // 未停机时周期数 +1
|
input wire inc_cycle_i, // 未停机时周期数 +1
|
||||||
input wire stall_i, // load-use 停顿
|
input wire stall_i, // load-use 停顿或多周期乘除法停留
|
||||||
input wire flush_i, // 冲刷年轻指令
|
input wire flush_i, // 冲刷年轻指令
|
||||||
input wire cond_taken_i, // EX 级条件分支实际跳转
|
input wire cond_taken_i, // EX 级条件分支实际跳转
|
||||||
input wire cond_valid_i, // EX 级条件分支有效
|
input wire cond_valid_i, // EX 级条件分支有效
|
||||||
@@ -0,0 +1,895 @@
|
|||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
`default_nettype none
|
||||||
|
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// cpu21-risc-v-4.circ -> 可综合 Verilog 实现（顶层）
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 处理器为五级流水线 IF/ID/EX/MEM/WB。本文件只保留：
|
||||||
|
// * 五级流水寄存器与各级之间的连线；
|
||||||
|
// * 各功能子模块的例化；
|
||||||
|
// * PC / IF-ID / ID-EX 的控制优先级（中断、URET、停机、重定向、停顿、
|
||||||
|
// 正常推进）；
|
||||||
|
// * 对外输出与调试信号。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 各功能单元已拆分为独立文件，便于单独仿真调试：
|
||||||
|
// cpu21_riscv_alu.v 组合 ALU（result2 用于 MUL 高位 / 余数）
|
||||||
|
// cpu21_bpb_8.v 八表项全相联分支目标缓冲
|
||||||
|
// cpu21_riscv_decoder.v ID 级组合译码器
|
||||||
|
// cpu21_riscv_regfile.v 寄存器堆（写优先旁路）
|
||||||
|
// cpu21_riscv_forward_unit.v EX 级前递网络
|
||||||
|
// cpu21_riscv_store_unit.v EX 级存储数据对齐
|
||||||
|
// cpu21_riscv_branch_unit.v EX 级控制流裁决
|
||||||
|
// cpu21_riscv_hazard_unit.v load-use 冒险与冲刷/停顿判定
|
||||||
|
// cpu21_riscv_irq_ctrl.v 中断控制、ustatus/uepc 与嵌套返回栈
|
||||||
|
// cpu21_riscv_perf_counters.v 性能计数器
|
||||||
|
// cpu21_mmio.v MMIO：LED 数据寄存器（可写、可读回）
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 主要特性：
|
||||||
|
// * EX 级前递（forwarding）与 load-use 冒险互锁；
|
||||||
|
// * EX 级控制流裁决与流水线重定向；
|
||||||
|
// * 八表项全相联分支目标缓冲（BPB）；
|
||||||
|
// * 三路采样的中断源，带优先级与可嵌套的 URET 返回；
|
||||||
|
// * LED 显示通过 MMIO 完成：向 LED_ADDR（默认 0x0000_1000）存储即写 LED，
|
||||||
|
// 也可以从该地址读回 LED 当前值；
|
||||||
|
// * ecall 仍用于停机：a7==34 的历史“显示”调用保留为无操作，其余（如 a7=10）
|
||||||
|
// 令流水线停机并等待 go_i。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 存储器接口约定：
|
||||||
|
// instr_addr_o 与 data_addr_o 均为字节地址。data_wstrb_o 是字节写掩码，
|
||||||
|
// 因此外部字宽 RAM 可用 data_addr_o[11:2] 作为字索引，再依据
|
||||||
|
// data_wstrb_o 完成字节合并。
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
module cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
|
||||||
|
parameter RESET_PC = 32'h0000_0000,
|
||||||
|
parameter IRQ1_VECTOR = 32'h0000_30ac,
|
||||||
|
parameter IRQ2_VECTOR = 32'h0000_31e4,
|
||||||
|
parameter IRQ3_VECTOR = 32'h0000_3310,
|
||||||
|
parameter IRQ_STACK_DEPTH = 4,
|
||||||
|
// MMIO：LED 数据寄存器地址（默认 0x0000_1000，位于 4 KB 数据 RAM 之外）。
|
||||||
|
parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000,
|
||||||
|
// ustatus 复位值。详见 cpu21_riscv_irq_ctrl 中的说明。
|
||||||
|
parameter [31:0] USTATUS_INIT = 32'h0000_0001
|
||||||
|
) (
|
||||||
|
input wire clk,
|
||||||
|
input wire reset,
|
||||||
|
input wire [31:0] instr_i,
|
||||||
|
input wire [31:0] data_rdata_i,
|
||||||
|
input wire [ 2:0] irq_i,
|
||||||
|
input wire go_i,
|
||||||
|
|
||||||
|
output wire [31:0] instr_addr_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] data_addr_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] data_wdata_o,
|
||||||
|
output wire [ 3:0] data_wstrb_o,
|
||||||
|
output wire data_we_o,
|
||||||
|
|
||||||
|
output wire [31:0] led_data_o,
|
||||||
|
output wire led_valid_o,
|
||||||
|
// ---- 扫雷扩展外设（由 cpu21_mmio 驱动；板级顶层接 VGA/数码管/鼠标）----
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||||||
|
output wire [31:0] seg_data_o, // 七段数码管：8 位十六进制数
|
||||||
|
output wire seg_valid_o,
|
||||||
|
output wire fb_we_o, // 显存写端口（板级顶层的双口 RAM）
|
||||||
|
output wire [ 9:0] fb_waddr_o, // 显存字地址（0..299）
|
||||||
|
output wire [31:0] fb_wdata_o,
|
||||||
|
output wire [ 3:0] fb_wstrb_o,
|
||||||
|
input wire [31:0] fb_rdata_i, // 显存读回（组合）
|
||||||
|
output wire [31:0] disp_ctrl_o, // 显示控制器寄存器（给 VGA）
|
||||||
|
output wire [31:0] disp_cursor_o,
|
||||||
|
input wire mouse_ev_valid_i, // 鼠标事件源（板级顶层：按键去抖 / PS/2）
|
||||||
|
input wire [ 7:0] mouse_dx_i, // 单位 1/8 格，有符号
|
||||||
|
input wire [ 7:0] mouse_dy_i,
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||||||
|
input wire [ 4:0] mouse_btn_i, // {BTNC,BTNU,BTND,BTNL,BTNR}
|
||||||
|
input wire [15:0] sw_i, // 板载拨码（软件读 INPUT 寄存器）
|
||||||
|
input wire frame_tick_i, // VGA 每帧一个脉冲
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||||||
|
output wire mouse_irq_o, // 鼠标事件中断（板级顶层接 irq_i[0]）
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||||||
|
output wire level_irq_o, // 软件中断：关卡入口（接 irq_i[1]）
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||||||
|
output wire [31:0] if_pc_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] id_pc_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] ex_pc_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] mem_pc_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] wb_pc_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] if_ir_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] id_ir_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] ex_ir_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] mem_ir_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] wb_ir_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] rdin_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] mdin_o,
|
||||||
|
output wire reg_write_o,
|
||||||
|
output wire mem_write_o,
|
||||||
|
output wire halted_o,
|
||||||
|
|
||||||
|
output wire [ 2:0] irq_pending_o,
|
||||||
|
output wire [ 1:0] irq_current_level_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] uepc_o,
|
||||||
|
output wire [31:0] ustatus_o,
|
||||||
|
output wire bpb_predict_hit_o,
|
||||||
|
output wire bpb_predict_taken_o,
|
||||||
|
output wire bpb_mispredict_o,
|
||||||
|
|
||||||
|
output wire [15:0] cycle_count_o,
|
||||||
|
output wire [15:0] stall_count_o,
|
||||||
|
output wire [15:0] bubble_count_o,
|
||||||
|
output wire [15:0] conditional_taken_count_o,
|
||||||
|
output wire [15:0] unconditional_branch_count_o,
|
||||||
|
output wire [15:0] prediction_success_count_o,
|
||||||
|
output wire [15:0] prediction_failure_count_o
|
||||||
|
);
|
||||||
|
// 顶层只用到少量常量，完整译码表见 cpu21_riscv_decoder.v。
|
||||||
|
localparam OP_BRANCH = 5'h18;
|
||||||
|
localparam ALU_ADD = 4'd5;
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||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
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||||||
|
// 流水线寄存器
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
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|
// 当前取指 PC。
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|
reg [31:0] pc_q;
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||||||
|
|
||||||
|
// IF/ID 流水寄存器（含本条指令所携带的分支预测信息）。
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||||||
|
reg ifid_valid_q;
|
||||||
|
reg [31:0] ifid_pc_q;
|
||||||
|
reg [31:0] ifid_ir_q;
|
||||||
|
reg ifid_pred_taken_q;
|
||||||
|
reg [31:0] ifid_pred_target_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// ID/EX 流水寄存器：保存译码结果与操作数。
|
||||||
|
reg idex_valid_q;
|
||||||
|
reg [31:0] idex_pc_q;
|
||||||
|
reg [31:0] idex_ir_q;
|
||||||
|
reg [31:0] idex_rs1_value_q;
|
||||||
|
reg [31:0] idex_rs2_value_q;
|
||||||
|
reg [4:0] idex_rs1_idx_q;
|
||||||
|
reg [4:0] idex_rs2_idx_q;
|
||||||
|
reg [4:0] idex_rd_q;
|
||||||
|
reg [31:0] idex_imm_q;
|
||||||
|
reg [3:0] idex_aluop_q;
|
||||||
|
reg idex_alu_src_q;
|
||||||
|
reg idex_reg_write_q;
|
||||||
|
reg idex_mem_to_reg_q;
|
||||||
|
reg idex_mem_write_q;
|
||||||
|
reg idex_mem_byte_q;
|
||||||
|
reg [2:0] idex_wb_sel_q;
|
||||||
|
reg [2:0] idex_md_op_q; // 乘除法操作类型（0=非乘除法）
|
||||||
|
reg [11:0] idex_csr_addr_q;
|
||||||
|
reg idex_branch_q;
|
||||||
|
reg idex_beq_q;
|
||||||
|
reg idex_bne_q;
|
||||||
|
reg idex_blt_q;
|
||||||
|
reg idex_bge_q;
|
||||||
|
reg idex_bltu_q;
|
||||||
|
reg idex_bgeu_q;
|
||||||
|
reg idex_jal_q;
|
||||||
|
reg idex_jalr_q;
|
||||||
|
reg idex_ecall_q;
|
||||||
|
reg idex_uret_q;
|
||||||
|
reg idex_csr_set_q;
|
||||||
|
reg idex_csr_clear_q;
|
||||||
|
reg idex_csr_write_q;
|
||||||
|
reg idex_pred_taken_q;
|
||||||
|
reg [31:0] idex_pred_target_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// EX/MEM 流水寄存器：保存 ALU/存储结果与写回控制。
|
||||||
|
reg exmem_valid_q;
|
||||||
|
reg [31:0] exmem_pc_q;
|
||||||
|
reg [31:0] exmem_ir_q;
|
||||||
|
reg [31:0] exmem_alu_result_q;
|
||||||
|
reg [31:0] exmem_alu_result2_q;
|
||||||
|
reg [31:0] exmem_csr_old_q;
|
||||||
|
reg [31:0] exmem_write_data_q;
|
||||||
|
reg [4:0] exmem_rd_q;
|
||||||
|
reg exmem_reg_write_q;
|
||||||
|
reg exmem_mem_to_reg_q;
|
||||||
|
reg exmem_mem_write_q;
|
||||||
|
reg [3:0] exmem_wstrb_q;
|
||||||
|
reg [2:0] exmem_wb_sel_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// MEM/WB 流水寄存器：保存访存数据与最终写回信息。
|
||||||
|
reg memwb_valid_q;
|
||||||
|
reg [31:0] memwb_pc_q;
|
||||||
|
reg [31:0] memwb_ir_q;
|
||||||
|
reg [31:0] memwb_alu_result_q;
|
||||||
|
reg [31:0] memwb_alu_result2_q;
|
||||||
|
reg [31:0] memwb_csr_old_q;
|
||||||
|
reg [31:0] memwb_mem_data_q;
|
||||||
|
reg [4:0] memwb_rd_q;
|
||||||
|
reg memwb_reg_write_q;
|
||||||
|
reg memwb_mem_to_reg_q;
|
||||||
|
reg [2:0] memwb_wb_sel_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// 停机标志（LED 寄存器已移入 cpu21_mmio.v）。
|
||||||
|
reg halted_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// IF 级：分支预测。JAL/JALR 在 EX 级裁决，条件分支则可以直接依据 BPB
|
||||||
|
// 给出的目标地址重定向取指 PC。
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
wire [4:0] f_opcode = instr_i[6:2];
|
||||||
|
wire [2:0] f_funct3 = instr_i[14:12];
|
||||||
|
wire f_is_branch = (f_opcode == OP_BRANCH) &&
|
||||||
|
((f_funct3 == 3'b000) || (f_funct3 == 3'b001) ||
|
||||||
|
(f_funct3 == 3'b100) || (f_funct3 == 3'b101) ||
|
||||||
|
(f_funct3 == 3'b110) || (f_funct3 == 3'b111));
|
||||||
|
wire [31:0] bpb_predict_target;
|
||||||
|
wire bpb_predict_hit;
|
||||||
|
wire bpb_predict_taken;
|
||||||
|
wire ex_branch_taken;
|
||||||
|
wire [31:0] ex_target;
|
||||||
|
wire ex_controlflow;
|
||||||
|
wire ex_redirect_valid;
|
||||||
|
wire [31:0] ex_redirect_pc;
|
||||||
|
|
||||||
|
// BPB 更新端口：在 EX 级用条件分支的实际结果训练预测器。
|
||||||
|
wire bpb_update_enable = idex_valid_q && idex_branch_q;
|
||||||
|
wire bpb_update_taken = ex_branch_taken;
|
||||||
|
wire [31:0] bpb_update_target = ex_target;
|
||||||
|
|
||||||
|
// 分支目标缓冲实例。
|
||||||
|
cpu21_bpb_8 u_bpb (
|
||||||
|
.clk (clk),
|
||||||
|
.reset (reset),
|
||||||
|
.predict_pc (pc_q),
|
||||||
|
.predict_enable (f_is_branch),
|
||||||
|
.predict_hit (bpb_predict_hit),
|
||||||
|
.predict_taken (bpb_predict_taken),
|
||||||
|
.predict_target (bpb_predict_target),
|
||||||
|
.update_enable (bpb_update_enable),
|
||||||
|
.update_controlflow(1'b1),
|
||||||
|
.update_pc (idex_pc_q),
|
||||||
|
.update_target (bpb_update_target),
|
||||||
|
.update_taken (bpb_update_taken)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// 下一取指 PC：预测跳转命中时使用 BPB 目标地址，否则顺序加 4。
|
||||||
|
wire [31:0] fetch_next_pc =
|
||||||
|
(f_is_branch && bpb_predict_hit && bpb_predict_taken) ?
|
||||||
|
bpb_predict_target : (pc_q + 32'd4);
|
||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// ID 级：译码与寄存器堆读取
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
wire [4:0] d_src1_idx;
|
||||||
|
wire [4:0] d_src2_idx;
|
||||||
|
wire [4:0] d_rd;
|
||||||
|
wire [31:0] d_imm;
|
||||||
|
wire [3:0] d_aluop;
|
||||||
|
wire [2:0] d_wb_sel;
|
||||||
|
wire [2:0] d_md_op;
|
||||||
|
wire [11:0] d_csr_addr;
|
||||||
|
wire d_uses_rs1;
|
||||||
|
wire d_uses_rs2;
|
||||||
|
wire d_reg_write;
|
||||||
|
wire d_mem_to_reg;
|
||||||
|
wire d_mem_write;
|
||||||
|
wire d_mem_byte;
|
||||||
|
wire d_alu_src;
|
||||||
|
wire d_branch;
|
||||||
|
wire d_beq;
|
||||||
|
wire d_bne;
|
||||||
|
wire d_blt;
|
||||||
|
wire d_bge;
|
||||||
|
wire d_bltu;
|
||||||
|
wire d_bgeu;
|
||||||
|
wire d_jal;
|
||||||
|
wire d_jalr;
|
||||||
|
wire d_ecall;
|
||||||
|
wire d_uret;
|
||||||
|
wire d_csr_set;
|
||||||
|
wire d_csr_clear;
|
||||||
|
wire d_csr_write;
|
||||||
|
|
||||||
|
cpu21_riscv_decoder u_decoder (
|
||||||
|
.ir_i (ifid_ir_q),
|
||||||
|
.rs1_idx_o (d_src1_idx),
|
||||||
|
.rs2_idx_o (d_src2_idx),
|
||||||
|
.rd_o (d_rd),
|
||||||
|
.imm_o (d_imm),
|
||||||
|
.alu_op_o (d_aluop),
|
||||||
|
.wb_sel_o (d_wb_sel),
|
||||||
|
.md_op_o (d_md_op),
|
||||||
|
.csr_addr_o (d_csr_addr),
|
||||||
|
.uses_rs1_o (d_uses_rs1),
|
||||||
|
.uses_rs2_o (d_uses_rs2),
|
||||||
|
.reg_write_o (d_reg_write),
|
||||||
|
.mem_to_reg_o(d_mem_to_reg),
|
||||||
|
.mem_write_o (d_mem_write),
|
||||||
|
.mem_byte_o (d_mem_byte),
|
||||||
|
.alu_src_o (d_alu_src),
|
||||||
|
.branch_o (d_branch),
|
||||||
|
.beq_o (d_beq),
|
||||||
|
.bne_o (d_bne),
|
||||||
|
.blt_o (d_blt),
|
||||||
|
.bge_o (d_bge),
|
||||||
|
.bltu_o (d_bltu),
|
||||||
|
.bgeu_o (d_bgeu),
|
||||||
|
.jal_o (d_jal),
|
||||||
|
.jalr_o (d_jalr),
|
||||||
|
.ecall_o (d_ecall),
|
||||||
|
.uret_o (d_uret),
|
||||||
|
.csr_set_o (d_csr_set),
|
||||||
|
.csr_clear_o (d_csr_clear),
|
||||||
|
.csr_write_o (d_csr_write)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// 写回值选择：wb_sel 0=ALU 结果，1=访存数据，2=PC+4（已存在 alu_result 里），
|
||||||
|
// 3=MUL 高位/余数，4=CSR 旧值。
|
||||||
|
wire [31:0] wb_value;
|
||||||
|
assign wb_value = (memwb_wb_sel_q == 3'd1) ? memwb_mem_data_q :
|
||||||
|
(memwb_wb_sel_q == 3'd3) ? memwb_alu_result2_q :
|
||||||
|
(memwb_wb_sel_q == 3'd4) ? memwb_csr_old_q :
|
||||||
|
memwb_alu_result_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// WB 级写回使能（同时用于寄存器堆的写端口与写优先旁路）。
|
||||||
|
wire memwb_reg_write_en = memwb_valid_q && memwb_reg_write_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// ID 级读寄存器：x0 恒为 0，并对同周期 WB 的结果做写优先旁路。
|
||||||
|
wire [31:0] d_rs1_value;
|
||||||
|
wire [31:0] d_rs2_value;
|
||||||
|
|
||||||
|
cpu21_riscv_regfile u_regfile (
|
||||||
|
.clk (clk),
|
||||||
|
.reset (reset),
|
||||||
|
.rs1_idx_i (d_src1_idx),
|
||||||
|
.rs2_idx_i (d_src2_idx),
|
||||||
|
.rs1_data_o(d_rs1_value),
|
||||||
|
.rs2_data_o(d_rs2_value),
|
||||||
|
.we_i (memwb_reg_write_en),
|
||||||
|
.waddr_i (memwb_rd_q),
|
||||||
|
.wdata_i (wb_value)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// 中断/CSR 相关连线（中断控制器实例见下方"中断 / CSR"小节）。
|
||||||
|
wire take_irq;
|
||||||
|
wire [31:0] irq_vector;
|
||||||
|
wire [31:0] ex_return_pc;
|
||||||
|
wire [2:0] irq_pending;
|
||||||
|
wire [1:0] irq_current_level;
|
||||||
|
wire [31:0] uepc_value;
|
||||||
|
wire [31:0] ustatus_value;
|
||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// EX 级：前递网络、ALU 运算、存储对齐与控制流裁决
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// EX/MEM 级要前递的值（按 wb_sel 选取）。JAL/JALR 的链接地址（PC+4）已在
|
||||||
|
// EX 级预先算好并存入 exmem_alu_result_q，所以这里 wb_sel=2 直接取该寄存器，
|
||||||
|
// 前递路径上不再有 PC+4 加法器（100 MHz 下这是最长路径之一）。
|
||||||
|
wire [31:0] exmem_forward_value =
|
||||||
|
(exmem_wb_sel_q == 3'd3) ? exmem_alu_result2_q :
|
||||||
|
(exmem_wb_sel_q == 3'd4) ? exmem_csr_old_q :
|
||||||
|
exmem_alu_result_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// 前递优先级：EX/MEM 的结果最新，其次为 MEM/WB 写回值，最后才是
|
||||||
|
// 译码时读到的寄存器值。
|
||||||
|
wire [31:0] ex_src1;
|
||||||
|
wire [31:0] ex_src2;
|
||||||
|
|
||||||
|
cpu21_riscv_forward_unit u_forward_unit (
|
||||||
|
.rs1_value_i (idex_rs1_value_q),
|
||||||
|
.rs2_value_i (idex_rs2_value_q),
|
||||||
|
.rs1_idx_i (idex_rs1_idx_q),
|
||||||
|
.rs2_idx_i (idex_rs2_idx_q),
|
||||||
|
.exmem_valid_i (exmem_valid_q),
|
||||||
|
.exmem_reg_write_i (exmem_reg_write_q),
|
||||||
|
.exmem_mem_to_reg_i(exmem_mem_to_reg_q),
|
||||||
|
.exmem_rd_i (exmem_rd_q),
|
||||||
|
.exmem_value_i (exmem_forward_value),
|
||||||
|
.memwb_valid_i (memwb_valid_q),
|
||||||
|
.memwb_reg_write_i (memwb_reg_write_q),
|
||||||
|
.memwb_rd_i (memwb_rd_q),
|
||||||
|
.memwb_value_i (wb_value),
|
||||||
|
.src1_o (ex_src1),
|
||||||
|
.src2_o (ex_src2)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// ALU 的 B 端：立即数或 rs2。
|
||||||
|
wire [31:0] ex_alu_b = idex_alu_src_q ? idex_imm_q : ex_src2;
|
||||||
|
wire [31:0] ex_alu_result;
|
||||||
|
wire [31:0] ex_alu_result2;
|
||||||
|
// 读取 CSR 旧值（ustatus=0x004、uepc=0x041），供 CSR 指令回写 rd。
|
||||||
|
wire [31:0] ex_csr_old_value =
|
||||||
|
(idex_csr_addr_q == 12'h004) ? ustatus_value :
|
||||||
|
(idex_csr_addr_q == 12'h041) ? uepc_value : 32'b0;
|
||||||
|
|
||||||
|
// ALU 实例（只做单拍运算；乘除法见下面的多周期单元）。
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||||||
|
cpu21_riscv_alu u_ex_alu (
|
||||||
|
.op (idex_aluop_q),
|
||||||
|
.a (ex_src1),
|
||||||
|
.b (ex_alu_b),
|
||||||
|
.result (ex_alu_result),
|
||||||
|
.result2(ex_alu_result2)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 多周期乘除法单元：EX 级停留若干拍等待结果，不再把 32x32 乘法/除法
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||||||
|
// 放在组合路径上（原来这部分的组合延时约 94 ns，100 MHz 下无法收敛）。
|
||||||
|
// 指令在 EX 级期间 ex_md_stall 有效：ID/EX 保持不变、EX/MEM 插气泡、
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||||||
|
// 取指/译码冻结；迭代结束（md_done）后照常推进。
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||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
wire md_busy;
|
||||||
|
wire md_done;
|
||||||
|
wire [31:0] md_result;
|
||||||
|
wire [31:0] md_result2;
|
||||||
|
|
||||||
|
wire ex_is_muldiv = idex_valid_q && (idex_md_op_q != 3'd0);
|
||||||
|
wire ex_md_stall = ex_is_muldiv && !md_done;
|
||||||
|
|
||||||
|
cpu21_riscv_muldiv u_muldiv (
|
||||||
|
.clk (clk),
|
||||||
|
.reset (reset),
|
||||||
|
.start_i (ex_is_muldiv),
|
||||||
|
.op_i (idex_md_op_q),
|
||||||
|
.a_i (ex_src1),
|
||||||
|
.b_i (ex_alu_b),
|
||||||
|
.busy_o (md_busy),
|
||||||
|
.done_o (md_done),
|
||||||
|
.result_o (md_result),
|
||||||
|
.result2_o(md_result2)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// EX 级最终结果：乘除法取多周期单元的输出；JAL/JALR（wb_sel=2）的链接地址
|
||||||
|
// PC+4 在这里算好随流水寄存器传下去，避免“写回值 → 前递 → 停机判定 →
|
||||||
|
// 流水寄存器时钟使能”这条组合路径上出现 32 位加法器。
|
||||||
|
wire [31:0] ex_result =
|
||||||
|
ex_is_muldiv ? md_result :
|
||||||
|
(idex_wb_sel_q == 3'd2) ? (idex_pc_q + 32'd4) :
|
||||||
|
ex_alu_result;
|
||||||
|
wire [31:0] ex_result2 = ex_is_muldiv ? md_result2 : ex_alu_result2;
|
||||||
|
|
||||||
|
// 控制流裁决：条件分支方向/目标、JAL/JALR 目标、是否需要重定向。
|
||||||
|
cpu21_riscv_branch_unit u_branch_unit (
|
||||||
|
.valid_i (idex_valid_q),
|
||||||
|
.pc_i (idex_pc_q),
|
||||||
|
.imm_i (idex_imm_q),
|
||||||
|
.src1_i (ex_src1),
|
||||||
|
.src2_i (ex_src2),
|
||||||
|
.branch_i (idex_branch_q),
|
||||||
|
.beq_i (idex_beq_q),
|
||||||
|
.bne_i (idex_bne_q),
|
||||||
|
.blt_i (idex_blt_q),
|
||||||
|
.bge_i (idex_bge_q),
|
||||||
|
.bltu_i (idex_bltu_q),
|
||||||
|
.bgeu_i (idex_bgeu_q),
|
||||||
|
.jal_i (idex_jal_q),
|
||||||
|
.jalr_i (idex_jalr_q),
|
||||||
|
.pred_taken_i (idex_pred_taken_q),
|
||||||
|
.pred_target_i (idex_pred_target_q),
|
||||||
|
.branch_taken_o (ex_branch_taken),
|
||||||
|
.controlflow_o (ex_controlflow),
|
||||||
|
.target_o (ex_target),
|
||||||
|
.redirect_valid_o(ex_redirect_valid),
|
||||||
|
.redirect_pc_o (ex_redirect_pc)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// 存储数据对齐：依据字节地址低两位生成写数据与字节写掩码。
|
||||||
|
wire [31:0] ex_store_data;
|
||||||
|
wire [ 3:0] ex_store_wstrb;
|
||||||
|
|
||||||
|
cpu21_riscv_store_unit u_store_unit (
|
||||||
|
.addr_i (ex_alu_result),
|
||||||
|
.data_i (ex_src2),
|
||||||
|
.mem_write_i (idex_mem_write_q),
|
||||||
|
.mem_byte_i (idex_mem_byte_q),
|
||||||
|
.store_data_o (ex_store_data),
|
||||||
|
.store_wstrb_o(ex_store_wstrb)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// MMIO：LED 等外设映射到数据地址空间，在 MEM 级做地址译码。
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
wire [31:0] mmio_rdata;
|
||||||
|
wire mmio_rdata_hit;
|
||||||
|
|
||||||
|
cpu21_mmio #(
|
||||||
|
.LED_ADDR(LED_ADDR)
|
||||||
|
) u_mmio (
|
||||||
|
.clk (clk),
|
||||||
|
.reset (reset),
|
||||||
|
.mem_valid_i(exmem_valid_q),
|
||||||
|
.mem_write_i(exmem_mem_write_q),
|
||||||
|
.mem_read_i (exmem_mem_to_reg_q),
|
||||||
|
.addr_i (exmem_alu_result_q),
|
||||||
|
.wdata_i (exmem_write_data_q),
|
||||||
|
.wstrb_i (exmem_wstrb_q),
|
||||||
|
.rdata_o (mmio_rdata),
|
||||||
|
.rdata_hit_o(mmio_rdata_hit),
|
||||||
|
// LED（原样）
|
||||||
|
.led_data_o (led_data_o),
|
||||||
|
.led_valid_o(led_valid_o),
|
||||||
|
// 七段数码管
|
||||||
|
.seg_data_o (seg_data_o),
|
||||||
|
.seg_valid_o(seg_valid_o),
|
||||||
|
// 显存（本体在板级顶层）
|
||||||
|
.fb_we_o (fb_we_o),
|
||||||
|
.fb_waddr_o (fb_waddr_o),
|
||||||
|
.fb_wdata_o (fb_wdata_o),
|
||||||
|
.fb_wstrb_o (fb_wstrb_o),
|
||||||
|
.fb_rdata_i (fb_rdata_i),
|
||||||
|
// 显示控制器
|
||||||
|
.disp_ctrl_o (disp_ctrl_o),
|
||||||
|
.disp_cursor_o(disp_cursor_o),
|
||||||
|
// 鼠标事件源与中断
|
||||||
|
.mouse_ev_valid_i(mouse_ev_valid_i),
|
||||||
|
.mouse_dx_i (mouse_dx_i),
|
||||||
|
.mouse_dy_i (mouse_dy_i),
|
||||||
|
.mouse_btn_i (mouse_btn_i),
|
||||||
|
.sw_i (sw_i),
|
||||||
|
.frame_tick_i (frame_tick_i),
|
||||||
|
.mouse_irq_o (mouse_irq_o),
|
||||||
|
.level_irq_o (level_irq_o)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// 访存读数据：命中 MMIO 时用外设数据，否则用外部存储器数据。
|
||||||
|
wire [31:0] mem_rdata = mmio_rdata_hit ? mmio_rdata : data_rdata_i;
|
||||||
|
|
||||||
|
// ecall 约定：LED 显示已改由 MMIO 存储完成（见上方的 cpu21_mmio 例化）。
|
||||||
|
// a7==34 的历史“显示”调用保留为无操作；其余（例如 a7=10）令处理器停机，
|
||||||
|
// 等待 go_i 重新启动。
|
||||||
|
wire ex_halt_event = idex_valid_q && idex_ecall_q && (ex_src1 != 32'd34);
|
||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 中断 / CSR / 嵌套返回栈
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
wire ex_uret_redirect = idex_valid_q && idex_uret_q;
|
||||||
|
// EX 级正在 URET，或乘除法还没算完时，不响应中断：前者与中断同时发生会丢掉
|
||||||
|
// URET 的返回地址，后者会在结果未定型时推进流水线，向 rd 写回错误值。
|
||||||
|
// 这里不再包含 ex_redirect_valid / ex_halt_event：它们本身就会让
|
||||||
|
// flush_younger 有效（流水线照常被冲刷），而中断优先于重定向时返回地址由
|
||||||
|
// irq_save_pc 给出（已正确跳转的分支取目标地址）。这样就把
|
||||||
|
// “分支判决 → 中断控制器 → flush → 流水寄存器控制”这条 100 MHz 下的
|
||||||
|
// 关键路径切断了（原来要绕经中断控制器再回到 flush）。
|
||||||
|
wire ex_block_irq = ex_uret_redirect || ex_md_stall;
|
||||||
|
// 中断发生时要保存的返回地址取"下一个架构 PC"：若 EX 是一条预测正确
|
||||||
|
// 且已跳转的分支，则该 PC 就是它的目标地址；若 EX 为空，则 IF/ID 中
|
||||||
|
// 保存的就是尚未执行的最老指令。
|
||||||
|
wire [31:0] irq_save_pc = idex_valid_q ?
|
||||||
|
((idex_branch_q && ex_branch_taken) ? ex_target : (idex_pc_q + 32'd4)) :
|
||||||
|
(ifid_valid_q ? ifid_pc_q : pc_q);
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
cpu21_riscv_irq_ctrl #(
|
||||||
|
.IRQ1_VECTOR (IRQ1_VECTOR),
|
||||||
|
.IRQ2_VECTOR (IRQ2_VECTOR),
|
||||||
|
.IRQ3_VECTOR (IRQ3_VECTOR),
|
||||||
|
.IRQ_STACK_DEPTH(IRQ_STACK_DEPTH),
|
||||||
|
.USTATUS_INIT (USTATUS_INIT)
|
||||||
|
) u_irq_ctrl (
|
||||||
|
.clk (clk),
|
||||||
|
.reset (reset),
|
||||||
|
.irq_i (irq_i),
|
||||||
|
.halted_i (halted_q),
|
||||||
|
.ex_block_i (ex_block_irq),
|
||||||
|
.save_pc_i (irq_save_pc),
|
||||||
|
.uret_i (ex_uret_redirect),
|
||||||
|
.csr_valid_i(idex_valid_q),
|
||||||
|
.csr_set_i (idex_csr_set_q),
|
||||||
|
.csr_clear_i(idex_csr_clear_q),
|
||||||
|
.csr_write_i(idex_csr_write_q),
|
||||||
|
.csr_addr_i (idex_csr_addr_q),
|
||||||
|
.csr_imm_i (idex_imm_q),
|
||||||
|
.csr_wdata_i(ex_src1),
|
||||||
|
.take_irq_o (take_irq),
|
||||||
|
.vector_o (irq_vector),
|
||||||
|
.return_pc_o(ex_return_pc),
|
||||||
|
.pending_o (irq_pending),
|
||||||
|
.level_o (irq_current_level),
|
||||||
|
.uepc_o (uepc_value),
|
||||||
|
.ustatus_o (ustatus_value)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 冒险 / 停顿 / 冲刷判定
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
wire load_use_hazard;
|
||||||
|
wire flush_younger;
|
||||||
|
wire pipeline_stall;
|
||||||
|
|
||||||
|
cpu21_riscv_hazard_unit u_hazard_unit (
|
||||||
|
.ifid_valid_i (ifid_valid_q),
|
||||||
|
.idex_valid_i (idex_valid_q),
|
||||||
|
.idex_mem_to_reg_i(idex_mem_to_reg_q),
|
||||||
|
.idex_rd_i (idex_rd_q),
|
||||||
|
.d_uses_rs1_i (d_uses_rs1),
|
||||||
|
.d_uses_rs2_i (d_uses_rs2),
|
||||||
|
.d_src1_idx_i (d_src1_idx),
|
||||||
|
.d_src2_idx_i (d_src2_idx),
|
||||||
|
.take_irq_i (take_irq),
|
||||||
|
.uret_redirect_i (ex_uret_redirect),
|
||||||
|
.halt_event_i (ex_halt_event),
|
||||||
|
.redirect_valid_i (ex_redirect_valid),
|
||||||
|
.halted_i (halted_q),
|
||||||
|
.load_use_hazard_o(load_use_hazard),
|
||||||
|
.flush_younger_o (flush_younger),
|
||||||
|
.pipeline_stall_o (pipeline_stall)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 对外输出与调试信号。
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 存储器接口：指令地址来自取指 PC；数据地址/写数据/写掩码来自 MEM 级。
|
||||||
|
assign instr_addr_o = pc_q;
|
||||||
|
assign data_addr_o = exmem_alu_result_q;
|
||||||
|
assign data_wdata_o = exmem_write_data_q;
|
||||||
|
assign data_wstrb_o = (exmem_valid_q && exmem_mem_write_q) ? exmem_wstrb_q : 4'b0;
|
||||||
|
assign data_we_o = |data_wstrb_o;
|
||||||
|
|
||||||
|
// LED 输出由 cpu21_mmio 驱动，这里只保留流水线各级 PC/指令回显。
|
||||||
|
assign if_pc_o = pc_q;
|
||||||
|
assign id_pc_o = ifid_valid_q ? ifid_pc_q : 32'b0;
|
||||||
|
assign ex_pc_o = idex_valid_q ? idex_pc_q : 32'b0;
|
||||||
|
assign mem_pc_o = exmem_valid_q ? exmem_pc_q : 32'b0;
|
||||||
|
assign wb_pc_o = memwb_valid_q ? memwb_pc_q : 32'b0;
|
||||||
|
assign if_ir_o = instr_i;
|
||||||
|
assign id_ir_o = ifid_valid_q ? ifid_ir_q : 32'b0;
|
||||||
|
assign ex_ir_o = idex_valid_q ? idex_ir_q : 32'b0;
|
||||||
|
assign mem_ir_o = exmem_valid_q ? exmem_ir_q : 32'b0;
|
||||||
|
assign wb_ir_o = memwb_valid_q ? memwb_ir_q : 32'b0;
|
||||||
|
assign rdin_o = wb_value;
|
||||||
|
assign mdin_o = exmem_write_data_q;
|
||||||
|
assign reg_write_o = memwb_valid_q && memwb_reg_write_q;
|
||||||
|
assign mem_write_o = exmem_valid_q && exmem_mem_write_q;
|
||||||
|
assign halted_o = halted_q;
|
||||||
|
assign irq_pending_o = irq_pending;
|
||||||
|
assign irq_current_level_o = irq_current_level;
|
||||||
|
assign uepc_o = uepc_value;
|
||||||
|
assign ustatus_o = ustatus_value;
|
||||||
|
assign bpb_predict_hit_o = bpb_predict_hit;
|
||||||
|
assign bpb_predict_taken_o = bpb_predict_taken;
|
||||||
|
assign bpb_mispredict_o = ex_redirect_valid && idex_branch_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 状态更新。顺序遵循五级流水线：先捕获 MEM/WB、EX/MEM，再处理
|
||||||
|
// ID/EX 与 IF/ID/PC 的控制。
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 复位时清空所有流水寄存器与 LED/停机标志（寄存器堆、中断状态与
|
||||||
|
// 性能计数器在各自的子模块内复位）。
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset) begin
|
||||||
|
pc_q <= RESET_PC;
|
||||||
|
ifid_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
ifid_pc_q <= 32'b0;
|
||||||
|
ifid_ir_q <= 32'b0;
|
||||||
|
ifid_pred_taken_q <= 1'b0;
|
||||||
|
ifid_pred_target_q <= 32'b0;
|
||||||
|
|
||||||
|
idex_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_pc_q <= 32'b0;
|
||||||
|
idex_ir_q <= 32'b0;
|
||||||
|
idex_rs1_value_q <= 32'b0;
|
||||||
|
idex_rs2_value_q <= 32'b0;
|
||||||
|
idex_rs1_idx_q <= 5'b0;
|
||||||
|
idex_rs2_idx_q <= 5'b0;
|
||||||
|
idex_rd_q <= 5'b0;
|
||||||
|
idex_imm_q <= 32'b0;
|
||||||
|
idex_aluop_q <= ALU_ADD;
|
||||||
|
idex_alu_src_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_reg_write_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_mem_to_reg_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_mem_write_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_mem_byte_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_wb_sel_q <= 3'b0;
|
||||||
|
idex_md_op_q <= 3'b0;
|
||||||
|
idex_csr_addr_q <= 12'b0;
|
||||||
|
idex_branch_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_beq_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_bne_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_blt_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_bge_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_bltu_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_bgeu_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_jal_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_jalr_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_ecall_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_uret_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_csr_set_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_csr_clear_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_csr_write_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_pred_taken_q <= 1'b0;
|
||||||
|
idex_pred_target_q <= 32'b0;
|
||||||
|
|
||||||
|
exmem_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
exmem_pc_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_ir_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_alu_result_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_alu_result2_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_csr_old_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_write_data_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_rd_q <= 5'b0;
|
||||||
|
exmem_reg_write_q <= 1'b0;
|
||||||
|
exmem_mem_to_reg_q <= 1'b0;
|
||||||
|
exmem_mem_write_q <= 1'b0;
|
||||||
|
exmem_wstrb_q <= 4'b0;
|
||||||
|
exmem_wb_sel_q <= 3'b0;
|
||||||
|
|
||||||
|
memwb_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
memwb_pc_q <= 32'b0;
|
||||||
|
memwb_ir_q <= 32'b0;
|
||||||
|
memwb_alu_result_q <= 32'b0;
|
||||||
|
memwb_alu_result2_q <= 32'b0;
|
||||||
|
memwb_csr_old_q <= 32'b0;
|
||||||
|
memwb_mem_data_q <= 32'b0;
|
||||||
|
memwb_rd_q <= 5'b0;
|
||||||
|
memwb_reg_write_q <= 1'b0;
|
||||||
|
memwb_mem_to_reg_q <= 1'b0;
|
||||||
|
memwb_wb_sel_q <= 3'b0;
|
||||||
|
|
||||||
|
halted_q <= 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
if (go_i)
|
||||||
|
halted_q <= 1'b0;
|
||||||
|
if (ex_halt_event)
|
||||||
|
halted_q <= 1'b1;
|
||||||
|
|
||||||
|
// MEM/WB 流水寄存器捕获。
|
||||||
|
memwb_valid_q <= exmem_valid_q;
|
||||||
|
memwb_pc_q <= exmem_pc_q;
|
||||||
|
memwb_ir_q <= exmem_ir_q;
|
||||||
|
memwb_alu_result_q <= exmem_alu_result_q;
|
||||||
|
memwb_alu_result2_q <= exmem_alu_result2_q;
|
||||||
|
memwb_csr_old_q <= exmem_csr_old_q;
|
||||||
|
memwb_mem_data_q <= mem_rdata;
|
||||||
|
memwb_rd_q <= exmem_rd_q;
|
||||||
|
memwb_reg_write_q <= exmem_reg_write_q;
|
||||||
|
memwb_mem_to_reg_q <= exmem_mem_to_reg_q;
|
||||||
|
memwb_wb_sel_q <= exmem_wb_sel_q;
|
||||||
|
|
||||||
|
// EX/MEM 流水寄存器捕获。乘除法迭代期间（ex_md_stall）往 EX/MEM 插气泡，
|
||||||
|
// 让乘除法指令继续占用 EX，结果在 md_done 那一拍才写入 EX/MEM。
|
||||||
|
if (ex_md_stall) begin
|
||||||
|
exmem_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
exmem_pc_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_ir_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_alu_result_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_alu_result2_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_csr_old_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_write_data_q <= 32'b0;
|
||||||
|
exmem_rd_q <= 5'b0;
|
||||||
|
exmem_reg_write_q <= 1'b0;
|
||||||
|
exmem_mem_to_reg_q <= 1'b0;
|
||||||
|
exmem_mem_write_q <= 1'b0;
|
||||||
|
exmem_wstrb_q <= 4'b0;
|
||||||
|
exmem_wb_sel_q <= 3'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
exmem_valid_q <= idex_valid_q;
|
||||||
|
exmem_pc_q <= idex_pc_q;
|
||||||
|
exmem_ir_q <= idex_ir_q;
|
||||||
|
exmem_alu_result_q <= ex_result;
|
||||||
|
exmem_alu_result2_q <= ex_result2;
|
||||||
|
exmem_csr_old_q <= ex_csr_old_value;
|
||||||
|
exmem_write_data_q <= ex_store_data;
|
||||||
|
exmem_rd_q <= idex_rd_q;
|
||||||
|
exmem_reg_write_q <= idex_reg_write_q;
|
||||||
|
exmem_mem_to_reg_q <= idex_mem_to_reg_q;
|
||||||
|
exmem_mem_write_q <= idex_mem_write_q;
|
||||||
|
exmem_wstrb_q <= ex_store_wstrb;
|
||||||
|
exmem_wb_sel_q <= idex_wb_sel_q;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// ID/EX 装载。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// payload（PC/IR/控制位/预测位）只在 load-use 停顿、乘除法迭代、停机时
|
||||||
|
// 保持（时钟使能与“冲刷”无关），其余情况一律装载；只有 valid 位受冲刷
|
||||||
|
// 控制，冲刷时清 0。这样“EX 级组合判决（分支/中断）→ 流水寄存器时钟
|
||||||
|
// 使能”这条 100 MHz 下最长的路径就只剩下一个触发器（valid），payload
|
||||||
|
// 即使装进错误路径的数据也无害——所有使用者都以 idex_valid_q 为前提。
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
if (!(pipeline_stall || halted_q || ex_md_stall)) begin
|
||||||
|
idex_pc_q <= ifid_pc_q;
|
||||||
|
idex_ir_q <= ifid_ir_q;
|
||||||
|
idex_rs1_value_q <= d_rs1_value;
|
||||||
|
idex_rs2_value_q <= d_rs2_value;
|
||||||
|
idex_rs1_idx_q <= d_src1_idx;
|
||||||
|
idex_rs2_idx_q <= d_src2_idx;
|
||||||
|
idex_rd_q <= d_rd;
|
||||||
|
idex_imm_q <= d_imm;
|
||||||
|
idex_aluop_q <= d_aluop;
|
||||||
|
idex_alu_src_q <= d_alu_src;
|
||||||
|
idex_reg_write_q <= d_reg_write;
|
||||||
|
idex_mem_to_reg_q <= d_mem_to_reg;
|
||||||
|
idex_mem_write_q <= d_mem_write;
|
||||||
|
idex_mem_byte_q <= d_mem_byte;
|
||||||
|
idex_wb_sel_q <= d_wb_sel;
|
||||||
|
idex_md_op_q <= d_md_op;
|
||||||
|
idex_csr_addr_q <= d_csr_addr;
|
||||||
|
idex_branch_q <= d_branch;
|
||||||
|
idex_beq_q <= d_beq;
|
||||||
|
idex_bne_q <= d_bne;
|
||||||
|
idex_blt_q <= d_blt;
|
||||||
|
idex_bge_q <= d_bge;
|
||||||
|
idex_bltu_q <= d_bltu;
|
||||||
|
idex_bgeu_q <= d_bgeu;
|
||||||
|
idex_jal_q <= d_jal;
|
||||||
|
idex_jalr_q <= d_jalr;
|
||||||
|
idex_ecall_q <= d_ecall;
|
||||||
|
idex_uret_q <= d_uret;
|
||||||
|
idex_csr_set_q <= d_csr_set;
|
||||||
|
idex_csr_clear_q <= d_csr_clear;
|
||||||
|
idex_csr_write_q <= d_csr_write;
|
||||||
|
idex_pred_taken_q <= ifid_pred_taken_q;
|
||||||
|
idex_pred_target_q <= ifid_pred_target_q;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
if (halted_q || ex_md_stall) begin
|
||||||
|
// 停机 / 乘除法迭代：valid 保持不变（指令继续占用 EX）。
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (pipeline_stall || flush_younger) begin
|
||||||
|
// load-use 停顿：load 已经进 EX/MEM，这里给 EX 装一个气泡（payload 保持
|
||||||
|
// 原值，valid=0 时无害）；冲刷同理。
|
||||||
|
idex_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
idex_valid_q <= ifid_valid_q;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
if (take_irq) begin
|
||||||
|
pc_q <= irq_vector;
|
||||||
|
ifid_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
ifid_pred_taken_q <= 1'b0;
|
||||||
|
ifid_pred_target_q <= 32'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (ex_uret_redirect) begin
|
||||||
|
pc_q <= ex_return_pc;
|
||||||
|
ifid_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
ifid_pred_taken_q <= 1'b0;
|
||||||
|
ifid_pred_target_q <= 32'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (ex_halt_event) begin
|
||||||
|
pc_q <= idex_pc_q + 32'd4;
|
||||||
|
ifid_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
ifid_pred_taken_q <= 1'b0;
|
||||||
|
ifid_pred_target_q <= 32'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (ex_redirect_valid) begin
|
||||||
|
pc_q <= ex_redirect_pc;
|
||||||
|
ifid_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
ifid_pred_taken_q <= 1'b0;
|
||||||
|
ifid_pred_target_q <= 32'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (pipeline_stall || ex_md_stall) begin
|
||||||
|
pc_q <= pc_q;
|
||||||
|
ifid_valid_q <= ifid_valid_q;
|
||||||
|
ifid_pc_q <= ifid_pc_q;
|
||||||
|
ifid_ir_q <= ifid_ir_q;
|
||||||
|
ifid_pred_taken_q <= ifid_pred_taken_q;
|
||||||
|
ifid_pred_target_q <= ifid_pred_target_q;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (halted_q) begin
|
||||||
|
pc_q <= pc_q;
|
||||||
|
ifid_valid_q <= 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
pc_q <= fetch_next_pc;
|
||||||
|
ifid_valid_q <= 1'b1;
|
||||||
|
ifid_pc_q <= pc_q;
|
||||||
|
ifid_ir_q <= instr_i;
|
||||||
|
ifid_pred_taken_q <= f_is_branch && bpb_predict_hit && bpb_predict_taken;
|
||||||
|
ifid_pred_target_q <= bpb_predict_target;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 性能计数器（只影响统计量，不参与控制）。
|
||||||
|
// -------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
cpu21_riscv_perf_counters u_perf_counters (
|
||||||
|
.clk (clk),
|
||||||
|
.reset (reset),
|
||||||
|
.inc_cycle_i (!halted_q),
|
||||||
|
.stall_i (pipeline_stall || ex_md_stall),
|
||||||
|
.flush_i (flush_younger),
|
||||||
|
.cond_taken_i (idex_valid_q && idex_branch_q && ex_branch_taken),
|
||||||
|
.cond_valid_i (idex_valid_q && idex_branch_q),
|
||||||
|
.mispredict_i (ex_redirect_valid),
|
||||||
|
.uncond_i (idex_valid_q && (idex_jal_q || idex_jalr_q)),
|
||||||
|
.cycle_count_o (cycle_count_o),
|
||||||
|
.stall_count_o (stall_count_o),
|
||||||
|
.bubble_count_o (bubble_count_o),
|
||||||
|
.conditional_taken_count_o (conditional_taken_count_o),
|
||||||
|
.unconditional_branch_count_o(unconditional_branch_count_o),
|
||||||
|
.prediction_success_count_o (prediction_success_count_o),
|
||||||
|
.prediction_failure_count_o (prediction_failure_count_o)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
||||||
|
`default_nettype wire
|
||||||
@@ -0,0 +1,129 @@
|
|||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
`default_nettype none
|
||||||
|
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// cpu21_seg7 —— Nexys4DDR 板载 8 位数码管的动态扫描驱动。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 输入：seg_data_i 每 4 位一个十六进制数字（低 4 位 = 最右边那个数码管），
|
||||||
|
// an_en_i 每一位对应一个数码管的使能（1 = 显示，0 = 熄灭）。
|
||||||
|
// 输出：an_o[7:0] 位选（低有效）、seg_o[6:0] 段选 a..g（低有效）、dp_o 小数点。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 扫描频率：CLK_DIV 分频后约 1 kHz 切换一位（8 位 => 每位数码管 125 Hz 刷新）。
|
||||||
|
// 板载数码管是共阳极：位选拉低选中，段选拉低点亮。
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
module cpu21_seg7 #(
|
||||||
|
parameter integer REFRESH_DIV = 50000 // 50 MHz / 50000 = 1 kHz
|
||||||
|
) (
|
||||||
|
input wire clk,
|
||||||
|
input wire reset,
|
||||||
|
input wire [31:0] seg_data_i, // 8 个十六进制数字
|
||||||
|
input wire [ 7:0] an_en_i, // 每位是否显示
|
||||||
|
output reg [ 7:0] an_o, // 位选，低有效
|
||||||
|
output reg [ 6:0] seg_o, // 段选 a..g，低有效
|
||||||
|
output reg dp_o // 小数点，低有效
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 刷新计数与当前位
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [15:0] div_q;
|
||||||
|
reg [2:0] digit_q;
|
||||||
|
wire tick = (div_q == (REFRESH_DIV - 1));
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset) begin
|
||||||
|
div_q <= 16'd0;
|
||||||
|
digit_q <= 3'd0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (tick) begin
|
||||||
|
div_q <= 16'd0;
|
||||||
|
digit_q <= digit_q + 3'd1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
div_q <= div_q + 16'd1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// 当前要显示的十六进制数字
|
||||||
|
reg [3:0] nib;
|
||||||
|
always @* begin
|
||||||
|
case (digit_q)
|
||||||
|
3'd0:
|
||||||
|
nib = seg_data_i[3:0];
|
||||||
|
3'd1:
|
||||||
|
nib = seg_data_i[7:4];
|
||||||
|
3'd2:
|
||||||
|
nib = seg_data_i[11:8];
|
||||||
|
3'd3:
|
||||||
|
nib = seg_data_i[15:12];
|
||||||
|
3'd4:
|
||||||
|
nib = seg_data_i[19:16];
|
||||||
|
3'd5:
|
||||||
|
nib = seg_data_i[23:20];
|
||||||
|
3'd6:
|
||||||
|
nib = seg_data_i[27:24];
|
||||||
|
default:
|
||||||
|
nib = seg_data_i[31:28];
|
||||||
|
endcase
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 十六进制 -> 七段码（bit0=a ... bit6=g，1 表示该段点亮）
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [6:0] seg_on;
|
||||||
|
always @* begin
|
||||||
|
case (nib)
|
||||||
|
4'h0:
|
||||||
|
seg_on = 7'b0111111;
|
||||||
|
4'h1:
|
||||||
|
seg_on = 7'b0000110;
|
||||||
|
4'h2:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1011011;
|
||||||
|
4'h3:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1001111;
|
||||||
|
4'h4:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1100110;
|
||||||
|
4'h5:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1101101;
|
||||||
|
4'h6:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1111101;
|
||||||
|
4'h7:
|
||||||
|
seg_on = 7'b0000111;
|
||||||
|
4'h8:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1111111;
|
||||||
|
4'h9:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1101111;
|
||||||
|
4'hA:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1110111;
|
||||||
|
4'hB:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1111100;
|
||||||
|
4'hC:
|
||||||
|
seg_on = 7'b0111001;
|
||||||
|
4'hD:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1011110;
|
||||||
|
4'hE:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1111001;
|
||||||
|
default:
|
||||||
|
seg_on = 7'b1110001; // F
|
||||||
|
endcase
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 位选与段选输出（共阳极 => 低有效）
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset) begin
|
||||||
|
an_o <= 8'hFF;
|
||||||
|
seg_o <= 7'h7F;
|
||||||
|
dp_o <= 1'b1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (tick) begin
|
||||||
|
an_o <= ~(8'b0000_0001 << digit_q) | ~an_en_i;
|
||||||
|
seg_o <= ~seg_on;
|
||||||
|
dp_o <= 1'b1; // 不用小数点
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
||||||
|
`default_nettype wire
|
||||||
@@ -0,0 +1,242 @@
|
|||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
`default_nettype none
|
||||||
|
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// cpu21_vga —— 640x480@60 的"格子"显示控制器（显存端口接板级顶层的双口 RAM）。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// CPU 不直接操作像素：它只通过 MMIO 往显示缓冲区里写"每格 1 字节"（字形 + 颜色），
|
||||||
|
// 本模块按像素扫描把格子展开成画面（8x8 字模放大 2 倍填满 16x16 的格子）。
|
||||||
|
// 这样一格只要 1 次字节写，刷屏开销极小。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 网格：40 列 x 30 行，每格 16x16 像素 = 640x480。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 时钟：本模块工作在 CPU 时钟（clk）下，用 tick（每 2 个 clk 一个使能）产生
|
||||||
|
// 25 MHz 的像素节拍。**不引入第二个时钟域**，因此显示缓冲区的读（本模块）
|
||||||
|
// 与写（MMIO，同一时钟）之间没有跨时钟域问题。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 光标：由 CURSOR 寄存器的 (x,y) 决定，在对应格子上画一个白色闪动的方框
|
||||||
|
// （CTRL[0] 控制显示与否）。缓冲区字节的 bit7 在本模块中不使用（保留）。
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
module cpu21_vga #(
|
||||||
|
parameter integer H_VISIBLE = 640,
|
||||||
|
parameter integer H_FP = 16,
|
||||||
|
parameter integer H_SYNC = 96,
|
||||||
|
parameter integer H_BP = 48,
|
||||||
|
parameter integer V_VISIBLE = 480,
|
||||||
|
parameter integer V_FP = 10,
|
||||||
|
parameter integer V_SYNC = 2,
|
||||||
|
parameter integer V_BP = 33,
|
||||||
|
parameter integer COLS = 40,
|
||||||
|
parameter integer ROWS = 30
|
||||||
|
) (
|
||||||
|
input wire clk,
|
||||||
|
input wire reset,
|
||||||
|
input wire tick, // 25 MHz 像素使能（每 2 个 clk 一拍）
|
||||||
|
// 显示缓冲区读端口
|
||||||
|
output wire [ 9:0] fb_raddr_o,
|
||||||
|
input wire [31:0] fb_word_i,
|
||||||
|
// 控制
|
||||||
|
input wire [31:0] ctrl_i,
|
||||||
|
input wire [31:0] cursor_i,
|
||||||
|
// VGA 输出
|
||||||
|
output reg [ 3:0] vga_r,
|
||||||
|
output reg [ 3:0] vga_g,
|
||||||
|
output reg [ 3:0] vga_b,
|
||||||
|
output reg vga_hs,
|
||||||
|
output reg vga_vs,
|
||||||
|
output reg frame_tick_o
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
localparam integer H_TOTAL = H_VISIBLE + H_FP + H_SYNC + H_BP; // 800
|
||||||
|
localparam integer V_TOTAL = V_VISIBLE + V_FP + V_SYNC + V_BP; // 525
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 扫描计数
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [9:0] hx, vy;
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset) begin
|
||||||
|
hx <= 10'd0;
|
||||||
|
vy <= 10'd0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (tick) begin
|
||||||
|
if (hx == H_TOTAL - 1) begin
|
||||||
|
hx <= 10'd0;
|
||||||
|
vy <= (vy == V_TOTAL - 1) ? 10'd0 : (vy + 10'd1);
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else begin
|
||||||
|
hx <= hx + 10'd1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
wire de = (hx < H_VISIBLE) && (vy < V_VISIBLE);
|
||||||
|
|
||||||
|
// 同步信号在 tick 上寄存输出
|
||||||
|
wire hs_n = ~((hx >= (H_VISIBLE + H_FP)) && (hx < (H_VISIBLE + H_FP + H_SYNC)));
|
||||||
|
wire vs_n = ~((vy >= (V_VISIBLE + V_FP)) && (vy < (V_VISIBLE + V_FP + V_SYNC)));
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 格子索引与缓冲区读出
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
wire [5:0] ccol = hx[9:4]; // 0..39
|
||||||
|
wire [4:0] crow = vy[8:4]; // 0..29
|
||||||
|
wire [10:0] cidx = (crow << 5) + (crow << 3) + ccol; // row*40 + col
|
||||||
|
|
||||||
|
assign fb_raddr_o = cidx[10:2]; // 字地址（1 字 = 4 格）
|
||||||
|
|
||||||
|
wire [1:0] lane = cidx[1:0];
|
||||||
|
wire [31:0] cell_word = fb_word_i;
|
||||||
|
wire [7:0] cell_byte = cell_word >> {lane, 3'b000};
|
||||||
|
|
||||||
|
wire [3:0] glyph = cell_byte[3:0];
|
||||||
|
wire [2:0] gcolor = cell_byte[6:4];
|
||||||
|
// 全局背景色（字模点为 0 时显示的颜色）
|
||||||
|
wire [2:0] bgcolor = ctrl_i[7:4];
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 8x8 字模（bit7 = 最左像素），放大 2 倍填满 16x16 的格子
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
wire [2:0] fx = hx[3:1];
|
||||||
|
wire [2:0] fy = vy[3:1];
|
||||||
|
|
||||||
|
function [7:0] font_row;
|
||||||
|
input [3:0] g;
|
||||||
|
input [2:0] r;
|
||||||
|
begin
|
||||||
|
case (g)
|
||||||
|
4'd0:
|
||||||
|
font_row = 8'h00; // 空白
|
||||||
|
4'd1:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h18 : (r == 3'd1) ? 8'h38 : (r == 3'd2) ? 8'h18 :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h18 : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h18 :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h7E : 8'h00; // 1
|
||||||
|
4'd2:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h06 :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h0C : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h30 :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h7E : 8'h00; // 2
|
||||||
|
4'd3:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h06 :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h1C : (r == 3'd4) ? 8'h06 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 3
|
||||||
|
4'd4:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h0C : (r == 3'd1) ? 8'h1C : (r == 3'd2) ? 8'h3C :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h6C : (r == 3'd4) ? 8'h7E : (r == 3'd5) ? 8'h0C :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h0C : 8'h00; // 4
|
||||||
|
4'd5:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h7E : (r == 3'd1) ? 8'h60 : (r == 3'd2) ? 8'h7C :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h06 : (r == 3'd4) ? 8'h06 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 5
|
||||||
|
4'd6:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h1C : (r == 3'd1) ? 8'h30 : (r == 3'd2) ? 8'h60 :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h7C : (r == 3'd4) ? 8'h66 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 6
|
||||||
|
4'd7:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h7E : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h0C :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h18 : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h18 :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h18 : 8'h00; // 7
|
||||||
|
4'd8:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h66 :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h3C : (r == 3'd4) ? 8'h66 : (r == 3'd5) ? 8'h66 :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h3C : 8'h00; // 8
|
||||||
|
4'd9:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'hFF : (r == 3'd1) ? 8'h81 : (r == 3'd2) ? 8'hBD :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'hA5 : (r == 3'd4) ? 8'hA5 : (r == 3'd5) ? 8'hBD :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h81 : 8'hFF; // 未揭开的方块
|
||||||
|
4'd10:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h40 : (r == 3'd1) ? 8'h70 : (r == 3'd2) ? 8'h78 :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h70 : (r == 3'd4) ? 8'h40 : (r == 3'd5) ? 8'h40 :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h40 : 8'h00; // 旗
|
||||||
|
4'd11:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h7E : (r == 3'd2) ? 8'hFF :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'hFF : (r == 3'd4) ? 8'hFF : (r == 3'd5) ? 8'hFF :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h7E : 8'h3C; // 雷
|
||||||
|
4'd12:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h81 : (r == 3'd1) ? 8'h42 : (r == 3'd2) ? 8'h24 :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h18 : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h24 :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h42 : 8'h81; // 爆炸
|
||||||
|
4'd13:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd0) ? 8'h3C : (r == 3'd1) ? 8'h66 : (r == 3'd2) ? 8'h06 :
|
||||||
|
(r == 3'd3) ? 8'h0C : (r == 3'd4) ? 8'h18 : (r == 3'd5) ? 8'h00 :
|
||||||
|
(r == 3'd6) ? 8'h18 : 8'h00; // 问号
|
||||||
|
4'd14:
|
||||||
|
font_row = (r == 3'd3) ? 8'hFF : (r == 3'd4) ? 8'hFF : 8'h00; // 横线
|
||||||
|
4'd15:
|
||||||
|
font_row = 8'hFF; // 实心
|
||||||
|
default:
|
||||||
|
font_row = 8'h00;
|
||||||
|
endcase
|
||||||
|
end
|
||||||
|
endfunction
|
||||||
|
|
||||||
|
wire [7:0] frow = font_row(glyph, fy);
|
||||||
|
wire glyph_px = frow[3'd7 - fx]; // 1 = 画字模点
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 光标框（闪动）
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
reg [24:0] blink_q;
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset)
|
||||||
|
blink_q <= 25'd0;
|
||||||
|
else if (tick)
|
||||||
|
blink_q <= blink_q + 25'd1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
wire blink = blink_q[24];
|
||||||
|
|
||||||
|
wire cursor_here = (cursor_i[4:0] == ccol) && (cursor_i[12:8] == crow);
|
||||||
|
wire on_border = (hx[3:0] == 4'd0) || (hx[3:0] == 4'd15) ||
|
||||||
|
(vy[3:0] == 4'd0) || (vy[3:0] == 4'd15);
|
||||||
|
wire cursor_box = cursor_here && blink && ctrl_i[0] && on_border;
|
||||||
|
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// 颜色（3 位调色板 -> 4:4:4 RGB）
|
||||||
|
// ---------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
function [11:0] pal;
|
||||||
|
input [2:0] c;
|
||||||
|
begin
|
||||||
|
case (c)
|
||||||
|
3'd0:
|
||||||
|
pal = {4'h0, 4'h0, 4'h0}; // 黑
|
||||||
|
3'd1:
|
||||||
|
pal = {4'h0, 4'h0, 4'hA}; // 深蓝
|
||||||
|
3'd2:
|
||||||
|
pal = {4'h0, 4'hA, 4'h0}; // 绿
|
||||||
|
3'd3:
|
||||||
|
pal = {4'h0, 4'hA, 4'hA}; // 青
|
||||||
|
3'd4:
|
||||||
|
pal = {4'hA, 4'h0, 4'h0}; // 红
|
||||||
|
3'd5:
|
||||||
|
pal = {4'hA, 4'h0, 4'hA}; // 洋红
|
||||||
|
3'd6:
|
||||||
|
pal = {4'hA, 4'hA, 4'h0}; // 黄
|
||||||
|
default:
|
||||||
|
pal = {4'hA, 4'hA, 4'hA}; // 浅灰
|
||||||
|
endcase
|
||||||
|
end
|
||||||
|
endfunction
|
||||||
|
|
||||||
|
wire [2:0] px_color = glyph_px ? gcolor : bgcolor;
|
||||||
|
wire [2:0] px_final = cursor_box ? 3'd7 : px_color;
|
||||||
|
wire [11:0] px_rgb = de ? pal(px_final) : 12'h000;
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk or posedge reset) begin
|
||||||
|
if (reset) begin
|
||||||
|
{vga_r, vga_g, vga_b} <= 12'h000;
|
||||||
|
vga_hs <= 1'b1;
|
||||||
|
vga_vs <= 1'b1;
|
||||||
|
frame_tick_o <= 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
else if (tick) begin
|
||||||
|
{vga_r, vga_g, vga_b} <= px_rgb;
|
||||||
|
vga_hs <= hs_n;
|
||||||
|
vga_vs <= vs_n;
|
||||||
|
frame_tick_o <= (hx == H_TOTAL - 1) && (vy == V_TOTAL - 1);
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
||||||
|
`default_nettype wire
|
||||||
|
Tcl 一键重建
|
||||||
@@ -0,0 +1,73 @@
|
|||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// cpu21_board_top 的仿真测试（不上板，纯 RTL 仿真）
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 检查内容：
|
||||||
|
// 1) 复位释放后 CPU 能从片内 ROM 取指（ROM 由 cpu21_board_rom.vh 初始化）；
|
||||||
|
// 2) 程序通过 MMIO 写 LED，板载 LED 端口上能看到 16 位跑马灯序列。
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// 默认的 board_demo 程序带约 20 ms 软件延时，仿真只需确认第一次写入；
|
||||||
|
// 若要完整验证跑马灯序列，可生成一份短延时的 ROM 并用 -d BOARD_ROM_FAST 编译：
|
||||||
|
// xvlog -d BOARD_ROM_FAST board/cpu21_board_top.v <rtl/*.v> testbench/tb_board_top.v
|
||||||
|
// -----------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
module tb_board_top;
|
||||||
|
reg clk100 = 1'b0;
|
||||||
|
reg rst_n = 1'b0;
|
||||||
|
reg go = 1'b0;
|
||||||
|
reg [2:0] irq_sw = 3'b000;
|
||||||
|
|
||||||
|
wire [15:0] led;
|
||||||
|
wire led_we;
|
||||||
|
|
||||||
|
always #5 clk100 = ~clk100; // 100 MHz
|
||||||
|
|
||||||
|
cpu21_board_top #(
|
||||||
|
.LED_ADDR(32'h0000_1000)
|
||||||
|
) dut (
|
||||||
|
.clk100(clk100),
|
||||||
|
.rst_n (rst_n),
|
||||||
|
.go (go),
|
||||||
|
.irq_sw(irq_sw),
|
||||||
|
.led (led),
|
||||||
|
.led_we(led_we),
|
||||||
|
// 扫雷扩展端口：本测试平台不复位测试这些功能，输入显式接 0/1，
|
||||||
|
// 避免悬空（z）传到中断控制器里影响跑马灯的比对结果。
|
||||||
|
.btnu (1'b0),
|
||||||
|
.btnd (1'b0),
|
||||||
|
.btnl (1'b0),
|
||||||
|
.btnr (1'b0),
|
||||||
|
.sw_flag (1'b0),
|
||||||
|
.ps2_clk (1'b1),
|
||||||
|
.ps2_data(1'b1),
|
||||||
|
.an (),
|
||||||
|
.seg (),
|
||||||
|
.dp (),
|
||||||
|
.vga_r (),
|
||||||
|
.vga_g (),
|
||||||
|
.vga_b (),
|
||||||
|
.vga_hs (),
|
||||||
|
.vga_vs ()
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
integer changes = 0;
|
||||||
|
reg [15:0] led_prev = 16'hxxxx;
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clk100) begin
|
||||||
|
if (led !== led_prev) begin
|
||||||
|
changes = changes + 1;
|
||||||
|
led_prev = led;
|
||||||
|
$display("t=%t LED=%04h led_we=%b", $time, led, led_we);
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
$timeformat(-9, 3, " ns", 12); // %t 按 ns 显示（默认按精度 ps 显示）
|
||||||
|
$display("NOTE: 复位后观察 LED（默认程序首次写入应为 0001）");
|
||||||
|
repeat (10) @(posedge clk100);
|
||||||
|
rst_n = 1'b1;
|
||||||
|
repeat (30000) @(posedge clk100); // 300 us（CPU 时钟为 clk100/2 = 50 MHz）
|
||||||
|
$display("FINAL: LED 变化次数=%0d 当前 LED=%04h", changes, led);
|
||||||
|
$finish;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
+18
-8
@@ -1,6 +1,6 @@
|
|||||||
// 与 RTL 文件（cpu21_riscv_*.v、cpu21_bpb_8.v）一起编译。
|
// 与 RTL 文件（rtl/cpu21_*.v）一起编译，仿真相关文件都在 testbench/ 下。
|
||||||
// 示例：
|
// 示例：
|
||||||
// iverilog -g2012 -o cpu21_sim cpu21_*.v tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v
|
// iverilog -g2012 -o cpu21_sim rtl/*.v testbench/tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v
|
||||||
// vvp cpu21_sim
|
// vvp cpu21_sim
|
||||||
// 仿真会写出 cpu21_riscv_redirect_int_bpb.vcd，可供 GTKWave 查看。
|
// 仿真会写出 cpu21_riscv_redirect_int_bpb.vcd，可供 GTKWave 查看。
|
||||||
//
|
//
|
||||||
@@ -8,9 +8,13 @@
|
|||||||
// 只会打印警告并保持内存原样，所以路径写错会让 ROM 看起来全是 NOP
|
// 只会打印警告并保持内存原样，所以路径写错会让 ROM 看起来全是 NOP
|
||||||
// （0x00000013）。仿真器的工作目录并不固定（Vivado xsim 在
|
// （0x00000013）。仿真器的工作目录并不固定（Vivado xsim 在
|
||||||
// <proj>.sim/sim_1/behav/xsim 下运行），因此本测试平台会依次探测若干候选
|
// <proj>.sim/sim_1/behav/xsim 下运行），因此本测试平台会依次探测若干候选
|
||||||
// 路径，并报告实际命中的那个。显式给出的路径始终优先：
|
// 路径（testbench/rom/、../testbench/rom/、…，相对仓库根目录），并报告实际
|
||||||
|
// 命中的那个。显式给出的路径始终优先：
|
||||||
// vvp cpu21_sim +ROM_FILE=<path> (iverilog/vvp)
|
// vvp cpu21_sim +ROM_FILE=<path> (iverilog/vvp)
|
||||||
// xelab ... -generic_top "ROM_FILE=<path>" (Vivado xsim)
|
// xelab ... -generic_top "ROM_FILE=<path>" (Vivado xsim)
|
||||||
|
// 注意：PowerShell 会把命令行参数里的 "=" 拆开（xelab/xsim 报
|
||||||
|
// "Expected a switch but found …"），此时直接改本文件的 ROM_FILE 参数即可；
|
||||||
|
// ROM 镜像都在 testbench/rom/ 下，路径请用正斜杠（Verilog 字符串里 "\" 是转义符）。
|
||||||
module tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
|
module tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
|
||||||
parameter ROM_FILE = "cpu21_riscv_redirect_int_bpb_rom.hex"
|
parameter ROM_FILE = "cpu21_riscv_redirect_int_bpb_rom.hex"
|
||||||
// risc-v-benchmark_ccab.hex
|
// risc-v-benchmark_ccab.hex
|
||||||
@@ -152,7 +156,8 @@ module tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
|
|||||||
if (data_addr_o[11:2] < RAM_WORDS) data_rdata_i = ram[data_addr_o[11:2]];
|
if (data_addr_o[11:2] < RAM_WORDS) data_rdata_i = ram[data_addr_o[11:2]];
|
||||||
end
|
end
|
||||||
|
|
||||||
// 带字节使能的同步写模型。
|
// 带字节使能的同步写模型。MMIO 区域（LED_ADDR=0x1000 起）不在本模型的
|
||||||
|
// 译码范围（data_addr_o[11:2] < 1024）内，因此对 LED 的存储不会写进 RAM。
|
||||||
always @(posedge clk) begin
|
always @(posedge clk) begin
|
||||||
if (!reset && data_we_o && (data_addr_o[11:2] < RAM_WORDS)) begin
|
if (!reset && data_we_o && (data_addr_o[11:2] < RAM_WORDS)) begin
|
||||||
if (data_wstrb_o[0]) ram[data_addr_o[11:2]][7:0] <= data_wdata_o[7:0];
|
if (data_wstrb_o[0]) ram[data_addr_o[11:2]][7:0] <= data_wdata_o[7:0];
|
||||||
@@ -226,10 +231,15 @@ module tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
|
|||||||
rom_loaded = 1'b0;
|
rom_loaded = 1'b0;
|
||||||
if ($value$plusargs("ROM_FILE=%s", rom_file_path)) load_rom_image(rom_file_path, rom_loaded);
|
if ($value$plusargs("ROM_FILE=%s", rom_file_path)) load_rom_image(rom_file_path, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded) load_rom_image(ROM_FILE, rom_loaded);
|
if (!rom_loaded) load_rom_image(ROM_FILE, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"testbench/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../testbench/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../testbench/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../../../testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../../../testbench/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
|
// 分享出去的 Vivado 工程里的镜像目录（工程目录/srcs/rom/），GUI 仿真的工作
|
||||||
|
// 目录是 <proj>.sim/sim_1/behav/xsim，所以需要向上 5 层。
|
||||||
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"srcs/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../srcs/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../../../srcs/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded)
|
if (!rom_loaded)
|
||||||
$display(
|
$display(
|
||||||
"WARNING: no ROM image found for \"%0s\" - the ROM stays filled with NOPs (0x00000013).",
|
"WARNING: no ROM image found for \"%0s\" - the ROM stays filled with NOPs (0x00000013).",
|
||||||
@@ -1,9 +1,9 @@
|
|||||||
// 仿真顶层：tb_no_intr —— 与 tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v 相同的测试框架，
|
// 仿真顶层：tb_no_intr —— 与 tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v 相同的测试框架，
|
||||||
// 但不注入任何中断脉冲，因此主程序可以不受打扰地连续运行。
|
// 但不注入任何中断脉冲，因此主程序可以不受打扰地连续运行。
|
||||||
//
|
//
|
||||||
// 与 RTL 文件（cpu21_riscv_*.v、cpu21_bpb_8.v）一起编译。
|
// 与 RTL 文件（rtl/cpu21_*.v）一起编译，仿真相关文件都在 testbench/ 下。
|
||||||
// 示例：
|
// 示例：
|
||||||
// iverilog -g2012 -o cpu21_sim cpu21_*.v tb_no_intr.v
|
// iverilog -g2012 -o cpu21_sim rtl/*.v testbench/tb_no_intr.v
|
||||||
// vvp cpu21_sim
|
// vvp cpu21_sim
|
||||||
// 仿真会写出 tb_no_intr.vcd，可供 GTKWave 查看。
|
// 仿真会写出 tb_no_intr.vcd，可供 GTKWave 查看。
|
||||||
//
|
//
|
||||||
@@ -11,9 +11,13 @@
|
|||||||
// 只会打印警告并保持内存原样，所以路径写错会让 ROM 看起来全是 NOP
|
// 只会打印警告并保持内存原样，所以路径写错会让 ROM 看起来全是 NOP
|
||||||
// （0x00000013）。仿真器的工作目录并不固定（Vivado xsim 在
|
// （0x00000013）。仿真器的工作目录并不固定（Vivado xsim 在
|
||||||
// <proj>.sim/sim_1/behav/xsim 下运行），因此本测试平台会依次探测若干候选
|
// <proj>.sim/sim_1/behav/xsim 下运行），因此本测试平台会依次探测若干候选
|
||||||
// 路径，并报告实际命中的那个。显式给出的路径始终优先：
|
// 路径（testbench/rom/、../testbench/rom/、…，相对仓库根目录），并报告实际
|
||||||
|
// 命中的那个。显式给出的路径始终优先：
|
||||||
// vvp cpu21_sim +ROM_FILE=<path> (iverilog/vvp)
|
// vvp cpu21_sim +ROM_FILE=<path> (iverilog/vvp)
|
||||||
// xelab ... -generic_top "ROM_FILE=<path>" (Vivado xsim)
|
// xelab ... -generic_top "ROM_FILE=<path>" (Vivado xsim)
|
||||||
|
// 注意：PowerShell 会把命令行参数里的 "=" 拆开（xelab/xsim 报
|
||||||
|
// "Expected a switch but found …"），此时直接改本文件的 ROM_FILE 参数即可；
|
||||||
|
// ROM 镜像都在 testbench/rom/ 下，路径请用正斜杠（Verilog 字符串里 "\" 是转义符）。
|
||||||
module tb_no_intr #(
|
module tb_no_intr #(
|
||||||
parameter ROM_FILE = "risc-v-benchmark_ccab.hex"
|
parameter ROM_FILE = "risc-v-benchmark_ccab.hex"
|
||||||
// risc-v-benchmark_ccab.hex
|
// risc-v-benchmark_ccab.hex
|
||||||
@@ -155,7 +159,8 @@ module tb_no_intr #(
|
|||||||
if (data_addr_o[11:2] < RAM_WORDS) data_rdata_i = ram[data_addr_o[11:2]];
|
if (data_addr_o[11:2] < RAM_WORDS) data_rdata_i = ram[data_addr_o[11:2]];
|
||||||
end
|
end
|
||||||
|
|
||||||
// 带字节使能的同步写模型。
|
// 带字节使能的同步写模型。MMIO 区域（LED_ADDR=0x1000 起）不在本模型的
|
||||||
|
// 译码范围（data_addr_o[11:2] < 1024）内，因此对 LED 的存储不会写进 RAM。
|
||||||
always @(posedge clk) begin
|
always @(posedge clk) begin
|
||||||
if (!reset && data_we_o && (data_addr_o[11:2] < RAM_WORDS)) begin
|
if (!reset && data_we_o && (data_addr_o[11:2] < RAM_WORDS)) begin
|
||||||
if (data_wstrb_o[0]) ram[data_addr_o[11:2]][7:0] <= data_wdata_o[7:0];
|
if (data_wstrb_o[0]) ram[data_addr_o[11:2]][7:0] <= data_wdata_o[7:0];
|
||||||
@@ -229,10 +234,15 @@ module tb_no_intr #(
|
|||||||
rom_loaded = 1'b0;
|
rom_loaded = 1'b0;
|
||||||
if ($value$plusargs("ROM_FILE=%s", rom_file_path)) load_rom_image(rom_file_path, rom_loaded);
|
if ($value$plusargs("ROM_FILE=%s", rom_file_path)) load_rom_image(rom_file_path, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded) load_rom_image(ROM_FILE, rom_loaded);
|
if (!rom_loaded) load_rom_image(ROM_FILE, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"testbench/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../testbench/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../testbench/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../../../testbench/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../../../testbench/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
|
// 分享出去的 Vivado 工程里的镜像目录（工程目录/srcs/rom/），GUI 仿真的工作
|
||||||
|
// 目录是 <proj>.sim/sim_1/behav/xsim，所以需要向上 5 层。
|
||||||
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"srcs/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../srcs/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
|
if (!rom_loaded) load_rom_image({"../../../../../srcs/rom/", ROM_FILE}, rom_loaded);
|
||||||
if (!rom_loaded)
|
if (!rom_loaded)
|
||||||
$display(
|
$display(
|
||||||
"WARNING: no ROM image found for \"%0s\" - the ROM stays filled with NOPs (0x00000013).",
|
"WARNING: no ROM image found for \"%0s\" - the ROM stays filled with NOPs (0x00000013).",
|
||||||
@@ -0,0 +1,57 @@
|
|||||||
|
#!/usr/bin/env python3
|
||||||
|
"""把 $readmemh 格式的 hex 文件转换成 Verilog include 文件，供综合时初始化 ROM。
|
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||||||
|
用法: python tools/hex2vh.py <input.hex> <output.vh> [ROM_WORDS]
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||||||
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||||||
|
输出内容形如（每行一条赋值，未用到的地址填 NOP 0x00000013）：
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|
rom[0] = 32'h00001037;
|
||||||
|
rom[1] = 32'h00100093;
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||||||
|
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||||||
|
配套 RTL 用法（见 srcs/board/cpu21_board_top.v，两者同目录，所以 include 能直接解析）：
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||||||
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|
initial begin
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||||||
|
for (i = 0; i < ROM_WORDS; i = i + 1) rom[i] = 32'h0000_0013; // NOP 填充
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|
`include "cpu21_board_rom.vh"
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||||||
|
end
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||||||
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|
||||||
|
这样 ROM 内容直接跟着 RTL 走，不依赖综合时的当前工作目录，
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|
避免了 $readmemh 相对路径在 Vivado 综合流程里找不到文件（且只报 warning）的坑。
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||||||
|
"""
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||||||
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import sys
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NOP = 0x00000013
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def main():
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|
src, dst = sys.argv[1], sys.argv[2]
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words_total = int(sys.argv[3]) if len(sys.argv) > 3 else 1024
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||||||
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words = []
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||||||
|
with open(src, encoding="ascii") as f:
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||||||
|
for line in f:
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line = line.split("//")[0].strip()
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|
if not line:
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continue
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words.append(int(line, 16))
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||||||
|
if len(words) > words_total:
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raise SystemExit(
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|
"程序 %d 个字，超过 ROM 容量 %d 个字" % (len(words), words_total)
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)
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||||||
|
with open(dst, "w", encoding="utf-8") as f:
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||||||
|
f.write(" // generated by tools/hex2vh.py - do not edit by hand\n")
|
||||||
|
f.write(
|
||||||
|
" // source: %s (%d words, remaining entries filled with NOP)\n"
|
||||||
|
% (src, len(words))
|
||||||
|
)
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||||||
|
for addr in range(words_total):
|
||||||
|
w = words[addr] if addr < len(words) else NOP
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||||||
|
f.write(" rom[%d] = 32'h%08X;\n" % (addr, w))
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||||||
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||||||
|
print("已生成 %s（%d 个字，源程序 %d 个字）" % (dst, words_total, len(words)))
|
||||||
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||||||
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||||||
|
main()
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@@ -0,0 +1,109 @@
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# ============================================================================
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# cpu21-riscv 回归脚本（Vivado xsim）
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#
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# 在工程目录 pipelined-cpu/ 下运行：
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# powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\run_regress.ps1
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#
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# 做四件事：
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# 1) 逐个跑指令测试：muldiv_test / isa_test / lui_test / mmio_test，
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# 把测试平台打印的 LED 序列与 programs/<名字>.expected 逐值比对；
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# 2) 跑两个流水基线（默认 ROM）：tb_no_intr、tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb，
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|
# 只打印 FINAL 统计行，便于和已知基线核对；
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||||||
|
# 3) 跑板级顶层（-d BOARD_ROM_FAST），检查跑马灯 LED 序列；
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# 4) 最后汇总 PASS/FAIL 并按失败数设置退出码。
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|
#
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# 编译与仿真都放在 $env:TEMP\cpu21_regress 下，不会往工程目录写中间文件。
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# 需要 xvlog / xelab / xsim 在 PATH 上（Vivado 安装目录的 bin）。
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# ============================================================================
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$ErrorActionPreference = 'Stop'
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$proj = Split-Path -Parent $PSScriptRoot # tools/ 的上一级就是工程目录
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$projF = ($proj -replace '\\', '/') # Verilog 字符串里要用正斜杠
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$sim = Join-Path $env:TEMP 'cpu21_regress'
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$enc = New-Object System.Text.UTF8Encoding($false)
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foreach ($tool in 'xvlog', 'xelab', 'xsim') {
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|
if (-not (Get-Command $tool -ErrorAction SilentlyContinue)) {
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|
Write-Output "ERROR: 找不到 $tool，请把 Vivado 的 bin 目录加到 PATH"
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|
exit 1
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}
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||||||
|
}
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||||||
|
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||||||
|
New-Item -ItemType Directory -Force $sim | Out-Null
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|
Set-Content -Path "$sim\run.tcl" -Value @('run all', 'quit') -Encoding ascii
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||||||
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|
$RTL = @(Get-ChildItem "$proj\srcs\rtl\*.v" | ForEach-Object FullName)
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$fail = 0
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|
# TB 里的 ROM_FILE 参数默认是文件名，这里替换成绝对路径（PowerShell 传参有坑，
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|
# 直接改副本最稳）
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|
function Sim-Top {
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||||||
|
param($Top, $TbFile, $DefaultRom, $RealRom, $Snap)
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||||||
|
$txt = [System.IO.File]::ReadAllText($TbFile, $enc)
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||||||
|
$new = $txt.Replace('"' + $DefaultRom + '"', '"' + $projF + '/srcs/rom/' + $RealRom + '"')
|
||||||
|
[System.IO.File]::WriteAllText("$sim\$Snap.v", $new, $enc)
|
||||||
|
Remove-Item -Recurse -Force "$sim\xsim.dir" -ErrorAction SilentlyContinue
|
||||||
|
& xvlog @RTL "$sim\$Snap.v" 2>&1 | Out-File -Encoding ascii "$sim\xvlog_$Snap.txt"
|
||||||
|
& xelab -top $Top -snapshot $Snap 2>&1 | Out-File -Encoding ascii "$sim\xelab_$Snap.txt"
|
||||||
|
& xsim $Snap -tclbatch run.tcl 2>&1 | Out-File -Encoding ascii "$sim\run_$Snap.txt"
|
||||||
|
$err = Select-String -Path "$sim\xvlog_$Snap.txt", "$sim\xelab_$Snap.txt" -Pattern 'ERROR' |
|
||||||
|
Select-Object -First 1 -ExpandProperty Line
|
||||||
|
if ($err) { Write-Output "!! $Snap : $err"; $script:fail++ }
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Push-Location $sim
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||||||
|
try {
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||||||
|
Write-Output '===== 1) 指令测试（tb_no_intr，与 programs/*.expected 比对）====='
|
||||||
|
foreach ($t in 'muldiv_test', 'isa_test', 'lui_test', 'mmio_test') {
|
||||||
|
Sim-Top -Top tb_no_intr -TbFile "$proj\srcs\tb\tb_no_intr.v" `
|
||||||
|
-DefaultRom 'risc-v-benchmark_ccab.hex' -RealRom "$t.hex" -Snap "sim_$t"
|
||||||
|
$log = "$sim\run_sim_$t.txt"
|
||||||
|
$obs = @(Select-String -Path $log -Pattern 'LEDv=1 LED=([0-9a-fA-F]{8})' -AllMatches |
|
||||||
|
ForEach-Object { $_.Matches[0].Groups[1].Value.ToLower() })
|
||||||
|
$exp = @(Get-Content "$proj\programs\$t.expected" |
|
||||||
|
ForEach-Object { $_.Trim().ToLower() } | Where-Object { $_ -ne '' })
|
||||||
|
if (($obs -join ',') -eq ($exp -join ',')) {
|
||||||
|
Write-Output (" {0,-13} PASS ({1} 个 LED 值)" -f $t, $obs.Count)
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
Write-Output (" {0,-13} FAIL 期望 {1} / 观测 {2}" -f $t, $exp.Count, $obs.Count)
|
||||||
|
Write-Output (" 期望: " + ($exp -join ' '))
|
||||||
|
Write-Output (" 观测: " + ($obs -join ' '))
|
||||||
|
$fail++
|
||||||
|
}
|
||||||
|
Write-Output (' ' + (Select-String -Path $log -Pattern 'FINAL:' |
|
||||||
|
Select-Object -First 1 -ExpandProperty Line))
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Write-Output '===== 2) 流水基线（默认 ROM）====='
|
||||||
|
Sim-Top -Top tb_no_intr -TbFile "$proj\srcs\tb\tb_no_intr.v" `
|
||||||
|
-DefaultRom 'risc-v-benchmark_ccab.hex' -RealRom 'risc-v-benchmark_ccab.hex' -Snap 'base_no_intr'
|
||||||
|
Write-Output (' tb_no_intr : ' + (Select-String -Path "$sim\run_base_no_intr.txt" -Pattern 'FINAL:' |
|
||||||
|
Select-Object -First 1 -ExpandProperty Line))
|
||||||
|
Sim-Top -Top tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb -TbFile "$proj\srcs\tb\tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v" `
|
||||||
|
-DefaultRom 'cpu21_riscv_redirect_int_bpb_rom.hex' -RealRom 'cpu21_riscv_redirect_int_bpb_rom.hex' `
|
||||||
|
-Snap 'base_intr'
|
||||||
|
Write-Output (' tb_intr : ' + (Select-String -Path "$sim\run_base_intr.txt" -Pattern 'FINAL:' |
|
||||||
|
Select-Object -First 1 -ExpandProperty Line))
|
||||||
|
|
||||||
|
Write-Output '===== 3) 板级顶层（-d BOARD_ROM_FAST，跑马灯）====='
|
||||||
|
Remove-Item -Recurse -Force "$sim\xsim.dir" -ErrorAction SilentlyContinue
|
||||||
|
& xvlog -d BOARD_ROM_FAST @RTL "$proj\srcs\board\cpu21_board_top.v" "$proj\srcs\tb\tb_board_top.v" 2>&1 |
|
||||||
|
Out-File -Encoding ascii "$sim\xvlog_board.txt"
|
||||||
|
& xelab -top tb_board_top -snapshot board -d BOARD_ROM_FAST 2>&1 | Out-File -Encoding ascii "$sim\xelab_board.txt"
|
||||||
|
& xsim board -tclbatch run.tcl 2>&1 | Out-File -Encoding ascii "$sim\run_board.txt"
|
||||||
|
$seq = @(Select-String -Path "$sim\run_board.txt" -Pattern 'LED=([0-9a-f]{4})' -AllMatches |
|
||||||
|
ForEach-Object { $_.Matches[0].Groups[1].Value })
|
||||||
|
Write-Output (' 前 18 个 LED: ' + (($seq[0..17]) -join ' '))
|
||||||
|
Write-Output (" 变化次数: " + $seq.Count)
|
||||||
|
if (($seq[0..17] -join ' ') -ne '0000 0001 0002 0004 0008 0010 0020 0040 0080 0100 0200 0400 0800 1000 2000 4000 8000 0001') {
|
||||||
|
Write-Output ' FAIL：跑马灯序列与预期不符'; $fail++
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
Write-Output ' PASS'
|
||||||
|
}
|
||||||
|
} finally {
|
||||||
|
Pop-Location
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Write-Output ''
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if ($fail -eq 0) { Write-Output '全部通过 (所有回归 PASS)' } else { Write-Output "有 $fail 项失败" }
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exit $fail
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@@ -0,0 +1,232 @@
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#!/usr/bin/env python3
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"""极简 RISC-V 汇编器：仅支持本项目测试所需的指令子集。
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用法: python tools/rv_asm.py <input.asm> <output.hex>
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同时生成 <output.hex>.lst 反汇编/编码清单，便于核对。
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支持：add/sub/and/or/xor/sll/srl/sra/slt/sltu、
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mul/mulh/mulhsu/mulhu、
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addi/slti/sltiu/xori/ori/andi、slli/srli/srai、
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lw/sw/sb、beq/bne/blt/bge/bltu/bgeu、lui、jal/jalr、ecall、标签、# 注释
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伪指令：print（= lui t6,LED_ADDR>>12 + sw a0,0(t6)，向 MMIO 的 LED 寄存器写入 a0）、
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halt（= addi a7,zero,10 + ecall），各占两个字。
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示例：python tools/rv_asm.py programs/isa_test.asm srcs/rom/isa_test.hex
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"""
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import re
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import sys
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REGS = {
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"zero": 0,
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"ra": 1,
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"sp": 2,
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"gp": 3,
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"tp": 4,
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"t0": 5,
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"t1": 6,
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|
"t2": 7,
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|
"s0": 8,
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||||||
|
"s1": 9,
|
||||||
|
"a0": 10,
|
||||||
|
"a1": 11,
|
||||||
|
"a2": 12,
|
||||||
|
"a3": 13,
|
||||||
|
"a4": 14,
|
||||||
|
"a5": 15,
|
||||||
|
"a6": 16,
|
||||||
|
"a7": 17,
|
||||||
|
"s2": 18,
|
||||||
|
"s3": 19,
|
||||||
|
"s4": 20,
|
||||||
|
"s5": 21,
|
||||||
|
"s6": 22,
|
||||||
|
"s7": 23,
|
||||||
|
"s8": 24,
|
||||||
|
"s9": 25,
|
||||||
|
"s10": 26,
|
||||||
|
"s11": 27,
|
||||||
|
"t3": 28,
|
||||||
|
"t4": 29,
|
||||||
|
"t5": 30,
|
||||||
|
"t6": 31,
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|
}
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def reg(t):
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|
t = t.strip()
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if t in REGS:
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return REGS[t]
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m = re.fullmatch(r"x(\d+)", t)
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|
if m:
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return int(m.group(1))
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|
raise SystemExit("未知寄存器: " + t)
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|
def num(t):
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|
return int(t.strip(), 0)
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||||||
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||||||
|
def enc_r(f7, rs2, rs1, f3, rd):
|
||||||
|
return (f7 << 25) | (rs2 << 20) | (rs1 << 15) | (f3 << 12) | (rd << 7) | 0x33
|
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|
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||||||
|
|
||||||
|
def enc_i(imm, rs1, f3, rd, op=0x13):
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||||||
|
return ((imm & 0xFFF) << 20) | (rs1 << 15) | (f3 << 12) | (rd << 7) | op
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||||||
|
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||||||
|
|
||||||
|
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
|
||||||
|
)
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
RTYPE = {
|
||||||
|
"add": (0x00, 0),
|
||||||
|
"sub": (0x20, 0),
|
||||||
|
"sll": (0x00, 1),
|
||||||
|
"slt": (0x00, 2),
|
||||||
|
"sltu": (0x00, 3),
|
||||||
|
"xor": (0x00, 4),
|
||||||
|
"srl": (0x00, 5),
|
||||||
|
"sra": (0x20, 5),
|
||||||
|
"or": (0x00, 6),
|
||||||
|
"and": (0x00, 7),
|
||||||
|
"mul": (0x01, 0),
|
||||||
|
"mulh": (0x01, 1),
|
||||||
|
"mulhsu": (0x01, 2),
|
||||||
|
"mulhu": (0x01, 3),
|
||||||
|
"divu": (0x01, 5),
|
||||||
|
"remu": (0x01, 7),
|
||||||
|
}
|
||||||
|
ITYPE = {"addi": 0, "slti": 2, "sltiu": 3, "xori": 4, "ori": 6, "andi": 7}
|
||||||
|
SHIFT = {"slli": 1, "srli": 5, "srai": 5}
|
||||||
|
BTYPE = {"beq": 0, "bne": 1, "blt": 4, "bge": 5, "bltu": 6, "bgeu": 7}
|
||||||
|
# MMIO：LED 数据寄存器地址，需与 RTL 顶层 parameter LED_ADDR 保持一致
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LED_ADDR = 0x1000
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|
|
||||||
|
# 双字伪指令：print 向 MMIO 的 LED 写寄存器写入 a0；halt 停机
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||||||
|
PSEUDO_SIZE = {"print": 2, "halt": 2}
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||||||
|
|
||||||
|
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||||||
|
def assemble(lines):
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||||||
|
labels, items, addr = {}, [], 0
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||||||
|
for raw in lines:
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||||||
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line = raw.split("#")[0].strip()
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||||||
|
if not line:
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||||||
|
continue
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||||||
|
while True:
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||||||
|
m = re.match(r"^([A-Za-z_.$][\w.$]*)\s*:\s*(.*)$", line)
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||||||
|
if not m:
|
||||||
|
break
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||||||
|
labels[m.group(1)] = addr
|
||||||
|
line = m.group(2).strip()
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||||||
|
if not line:
|
||||||
|
break
|
||||||
|
if not line:
|
||||||
|
continue
|
||||||
|
items.append((addr, line))
|
||||||
|
addr += 4 * PSEUDO_SIZE.get(line.split()[0].lower(), 1)
|
||||||
|
|
||||||
|
out = []
|
||||||
|
for addr, line in items:
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||||||
|
parts = re.split(r"[\s,]+", line)
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||||||
|
mn, a = parts[0].lower(), parts[1:]
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||||||
|
if mn in RTYPE:
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||||||
|
f7, f3 = RTYPE[mn]
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||||||
|
w = enc_r(f7, reg(a[2]), reg(a[1]), f3, reg(a[0]))
|
||||||
|
elif mn in ITYPE:
|
||||||
|
im = num(a[2])
|
||||||
|
if not (-2048 <= im <= 2047):
|
||||||
|
raise SystemExit("I 型立即数超出 12 位有符号范围: " + line)
|
||||||
|
w = enc_i(im, reg(a[1]), ITYPE[mn], reg(a[0]))
|
||||||
|
elif mn in SHIFT:
|
||||||
|
w = enc_i(num(a[2]) & 0x1F, reg(a[1]), SHIFT[mn], reg(a[0]))
|
||||||
|
elif mn == "lui":
|
||||||
|
w = enc_u(num(a[1]), reg(a[0]))
|
||||||
|
elif mn in ("lw", "sw", "sb"):
|
||||||
|
m = re.fullmatch(r"(-?\w+)\((\w+)\)", a[1])
|
||||||
|
if not m:
|
||||||
|
raise SystemExit("内存操作数格式应为 imm(rs1): " + line)
|
||||||
|
im = num(m.group(1))
|
||||||
|
if not (-2048 <= im <= 2047):
|
||||||
|
raise SystemExit("访存偏移超出 12 位有符号范围: " + line)
|
||||||
|
if mn == "lw":
|
||||||
|
w = enc_i(im, reg(m.group(2)), 2, reg(a[0]), 0x03)
|
||||||
|
elif mn == "sw":
|
||||||
|
w = enc_s(im, reg(a[0]), reg(m.group(2)), 2)
|
||||||
|
else: # sb
|
||||||
|
w = enc_s(im, reg(a[0]), reg(m.group(2)), 0)
|
||||||
|
elif mn in BTYPE:
|
||||||
|
tgt = labels[a[2]] if a[2] in labels else num(a[2])
|
||||||
|
w = enc_b(tgt - addr, reg(a[1]), reg(a[0]), BTYPE[mn])
|
||||||
|
elif mn == "jal":
|
||||||
|
tgt = labels[a[1]] if a[1] in labels else num(a[1])
|
||||||
|
w = enc_j(tgt - addr, reg(a[0]))
|
||||||
|
elif mn == "jalr":
|
||||||
|
w = enc_i(num(a[2]), reg(a[1]), 0, reg(a[0]), 0x67)
|
||||||
|
elif mn == "ecall":
|
||||||
|
w = 0x00000073
|
||||||
|
elif mn == "print":
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||||||
|
# 写 MMIO 的 LED 寄存器：lui t6, LED_ADDR>>12 ; sw a0, 0(t6)
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||||||
|
w = [
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||||||
|
enc_u(LED_ADDR >> 12, reg("t6")),
|
||||||
|
enc_s(0, reg("a0"), reg("t6"), 2),
|
||||||
|
]
|
||||||
|
elif mn == "halt":
|
||||||
|
w = [enc_i(10, 0, 0, 17), 0x00000073]
|
||||||
|
else:
|
||||||
|
raise SystemExit("未知助记符: " + mn)
|
||||||
|
out.append((addr, line, w if isinstance(w, list) else [w]))
|
||||||
|
return out
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
def main():
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|
src, dst = sys.argv[1], sys.argv[2]
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||||||
|
with open(src, encoding="utf-8-sig") as f: # 兼容带/不带 BOM
|
||||||
|
prog = assemble(f.readlines())
|
||||||
|
with open(dst, "w", encoding="ascii") as f:
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||||||
|
for _, _, ws in prog:
|
||||||
|
for w in ws:
|
||||||
|
f.write("%08X\n" % w)
|
||||||
|
with open(dst + ".lst", "w", encoding="utf-8") as f:
|
||||||
|
for addr, line, ws in prog:
|
||||||
|
f.write("%04X: %s %s\n" % (addr, " ".join("%08X" % w for w in ws), line))
|
||||||
|
print("已生成 %s（%d 个字）" % (dst, sum(len(ws) for _, _, ws in prog)))
|
||||||
|
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||||||
|
|
||||||
|
main()
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||||||
@@ -0,0 +1,184 @@
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# 扫雷（RISC-V / cpu21）— 纯 C + MMIO 显示 + 中断读鼠标
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|
给 `pipelined-cpu` 里那颗 CPU（`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`）写的扫雷。
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|
**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。
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```
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saolei/
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├─ sw/
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│ ├─ mmio.h 全部 MMIO 地址与格子编码（换外设地址只改这一个文件）
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||||||
|
│ ├─ saolei.c 纯 C 扫雷：背景界面(main) + 关卡(level_main) + 棋盘与绘制
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||||||
|
│ ├─ 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
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||||||
|
│ └─ linker.ld ROM/RAM 布局：复位 0x0、中断入口 0x100/0x200/0x300、栈顶 0x0FFC
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|
└─ tools/
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|
├─ build.ps1 一键构建：C → .o → ELF → .hex + cpu21_saolei_rom.vh
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|
├─ check_isa.py 逐条反汇编检查：有没有用到这颗核没实现的指令
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|
└─ elf2hex.py 裸二进制 → $readmemh hex + ROM 初始化头文件
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```
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|
配套硬件在 Vivado 工程里（不在本目录）：`srcs/rtl/cpu21_mmio.v`（外设中枢）、
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|
`cpu21_vga.v`（显示）、`cpu21_seg7.v`（数码管）、`cpu21_pointer.v`（按键当鼠标）、
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||||||
|
`cpu21_ps2_mouse.v`（可选真鼠标）、`srcs/board/cpu21_board_top.v`（上板顶层）。
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---
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## 1. 程序结构：背景"伪操作系统" + 关卡 + 鼠标，正好占三个中断
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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
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并等鼠标。整套交互是这样串起来的：
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```mermaid
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sequenceDiagram
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participant BG as 背景 main()（0x0 起，一直跑）
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participant LV as 关卡 level_main()（IRQ1 = 0x100）
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participant MS as 鼠标 ISR（IRQ2 = 0x200）
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BG->>BG: 画开始界面（标题 + 绿色"开始"按钮 + 光标框）
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BG->>BG: 点中"开始"按钮 → 写 LEVEL 寄存器 = 1
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Note over BG: 硬件拉起 irq_i[1]，CPU 跳到 0x100
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BG->>LV: isr1_entry：保存现场 + 打开 MIE → level_main()
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|
LV->>LV: 初始化关卡（布雷、画盘面）
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|
MS-->>LV: 鼠标事件中断（IRQ2 优先级更高，嵌套进来）
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|
LV->>LV: 轮询事件队列：移动光标 / 揭开 / 插旗
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|
LV->>BG: 点左上角黄格 = 返回 → 清 LEVEL + uret
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|
Note over BG: 回到被打断的那条指令，继续等下一次"开始"
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|
```
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|
| 入口 | 地址 | 作用 | 对应 RTL 参数 |
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| ---- | ------- | ----------------------------------- | ------------- |
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|
| 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：
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||||||
|
|
||||||
|
- `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；
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||||||
|
- 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`）。
|
||||||
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|
## 2. 针对这颗 CPU 的硬约束（改 C 代码时别踩）
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|
`cpu21_riscv_decoder.v` 实现的是 RV32I 的一个子集：
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||||||
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|
||||||
|
| 类别 | 有 | **没有** |
|
||||||
|
| ------ | -------------------------------------------- | ---------------------------------- |
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||||||
|
| 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** |
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||||||
|
| 控制流 | 6 条分支 + jal + jalr | — |
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| 系统 | ecall uret csrrw csrrsi csrrci | mret / sret / fence / ebreak / wfi |
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||||||
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|
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
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|
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。
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## 3. 构建（已实测通过）
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工具链：xPack `riscv-none-elf-gcc`（本机装在
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|
`C:\Users\29653\tools\riscv\xpack-riscv-none-elf-gcc-15.2.0-1\bin`，已加入用户 PATH）。
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|
```powershell
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cd <仓库>\saolei
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powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\build.ps1
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# 若没配 PATH：-Prefix 'C:\Users\29653\tools\riscv\xpack-riscv-none-elf-gcc-15.2.0-1\bin\riscv-none-elf-'
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```
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| 步骤 | 说明 |
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| ------------ | -------------------------------------------------------------------------------------------- |
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| 编译 | `start.c`/`saolei.c` 正常编；`isr.c` 额外加 `-ffixed-x...` |
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| 链接 | `-T sw/linker.ld`；脚本里的 `ASSERT` 会拦住 `.data`/`.rodata` |
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| **反汇编** | `build/saolei.lst` ← 这就是"编译出来的汇编"，可以直接读 |
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| **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 |
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| 转格式 | `build/saolei.hex`（`$readmemh`）+ `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh` |
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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**，
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入口地址 `_start=0x0`、`isr1_entry=0x100`、`isr2_entry=0x200`、`isr3_entry=0x300`。
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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：
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1. `-march=rv32im_zicsr` —— GCC 15 起 `rv32im` 不含 Zicsr，`csrrsi` 会报
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`unrecognized opcode ... extension 'zicsr' required`；
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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
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`auipc ra,%pcrel_hi` + `jalr`，要靠链接器松弛压成一条 `jal`；禁掉后 35 条 `auipc`
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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；
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3. 中断入口地址必须写在**段声明**上（`.text.isr1 0x100 : {...} > ROM`）——
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只写 `. = 0x100;` 会被 `ld` 忽略（实测 isr1 掉到了 0x14）。
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## 4. MMIO 地址表（与 `cpu21_mmio.v` 的译码一致）
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| 地址 | 外设 |
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| -------------------- | ------------------------------------------------------------------------------- |
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| `0x0000_1000` | LED 数据寄存器（低 16 位点亮板载 LED） |
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| `0x0000_1004` | 七段数码管：8 位十六进制数（低 4 位 = 最右） |
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| `0x0000_1100+` | 鼠标：STATUS / DATA / ACK / CTRL / INPUT / TIME / FRAME / EVCNT / LEVEL / MAGIC |
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| `0x0000_1140+` | 显示控制器：CTRL（光标可见、背景色）/ CURSOR（列、行）/ MAGIC |
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| `0x0000_2000-0x27FF` | 显存：40 列 × 30 行、每格 1 字节（只用到前 1200 字节） |
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`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，
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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。
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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、
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10 旗、11 雷、12 爆炸、13 问号、14 横线、15 实心；颜色是 3 位调色板。
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## 5. 怎么跑起来
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**仿真**（用你现成的测试平台）：
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```powershell
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copy build\saolei.hex <仓库>\pipelined-cpu\srcs\rom\saolei.hex
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# 把 srcs/tb/tb_no_intr.v 顶部的 ROM_FILE 改成 "saolei.hex"
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```
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**上板**：在 Vivado 里给综合/仿真**定义宏 `SAOLEI_ROM`**（Settings → Verilog Macros），
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`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。
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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）。
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**操作**（默认用板上 5 向按键）：
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| 操作 | 按键 |
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| ------------------------------------ | --------------------------------------- |
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| 移动光标 | `BTNU` / `BTND` / `BTNL` / `BTNR` |
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| 左键（揭开；在开始界面上 = 开始） | `BTNC` |
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| 插旗模式（拨上去后左键 = 插/取消旗） | `SW0` 或 `SW3` |
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| 返回上一层（关卡内） | 把光标移到盘面**左上角黄格**再按 `BTNC` |
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**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
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Pmod PS2 插在 JA + 一个 PS/2 鼠标）。`cpu21_ps2_mouse.v` 只实现了**接收**（发 0xF4
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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，
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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
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完全不用改。
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## 6. 验证状态（说实话）
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| 部分 | 状态 |
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| ------------------------------------------------------------------------------------ | ----------------------------------------------------------------- |
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| 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 |
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| `saolei.c` / `isr.c` / `start.c` / `linker.ld` | 逻辑对着 RTL 写；**未在仿真器/硬件上跑过** |
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| `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** |
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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
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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、
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按键后有没有跳进 `0x200`；③ 再上板。
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## 7. 已知可改进项
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- **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
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"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
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`cpu21_vga.v` 的字模表各改一处，颜色降到 3 位）。
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- 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
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`saolei.c` 顶部的 `BW/BH/NMINES`。
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- `run_regress.ps1` 里还没有扫雷的自动测试项。
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+129
@@ -0,0 +1,129 @@
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/* -----------------------------------------------------------------------------
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* 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"**）
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*
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* 这颗核的中断硬件行为（见 srcs/rtl/cpu21_riscv_irq_ctrl.v）：
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* * 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）、
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* 把返回地址压进内部 EPC 栈；
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* * 从 uepc 返回用 `uret`（编码 0x00200073，不在标准 C 里，只能内联汇编）；
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* * **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。
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*
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* 因此这里分了三个固定地址的入口 + 一个纯 C 主体：
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* 1) isr1_entry（.text.isr1 = 0x100）：**关卡（游戏）入口**，调 level_main()。
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* 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**
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* （ra、t0-t6、a0-a7）都存起来，并用 csrrsi 打开 MIE 让鼠标中断能嵌套；
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* 2) isr2_entry（.text.isr2 = 0x200）：**鼠标读取**，只存 ra 后调下面的 isr_body；
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* 3) isr3_entry（.text.isr3 = 0x300）：备用，直接 uret；
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* 4) isr_body：**纯 C**，本文件用 -ffixed-x1,x5..x7,x10..x17,x28..x31 编译，
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* 逼 GCC 只用 s0-s11（callee-saved，函数自己会存/恢复）和 sp，于是被打断的
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* 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。
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*
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* 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，
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* 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，
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* 所以不会丢事件。
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* ---------------------------------------------------------------------------*/
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#include "mmio.h"
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/* ---- 与 saolei.c 共用的软件事件队列（定义在这里，声明在 mmio.h） ---- */
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volatile unsigned g_evq[EVQ_SIZE];
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volatile unsigned g_evq_head; /* 主循环消费 */
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||||||
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volatile unsigned g_evq_tail; /* 中断生产 */
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||||||
|
volatile unsigned g_evq_lost; /* 队列满丢弃计数（调试） */
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||||||
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||||||
|
/* 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。
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|
* 编译本文件时必须加 -ffixed-x1 -ffixed-x5..x7 -ffixed-x10..x17 -ffixed-x28..x31
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||||||
|
* （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。 */
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||||||
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__attribute__((used, noinline)) void isr_body(void);
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||||||
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||||||
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void isr_body(void)
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||||||
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{
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||||||
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unsigned ev, next;
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||||||
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||||||
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/* 硬件 FIFO 非空就一直搬（STATUS[0] = 非空） */
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||||||
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while ((REG_R(REG_STATUS) & 1u) != 0u)
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||||||
|
{
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||||||
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ev = REG_R(REG_MDATA); /* lw：{btn[20:16], dy[15:8], dx[7:0]} */
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||||||
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next = (g_evq_tail + 1u) & EVQ_MASK;
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||||||
|
if (next != g_evq_head)
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||||||
|
{
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||||||
|
g_evq[g_evq_tail] = ev;
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||||||
|
g_evq_tail = next;
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||||||
|
}
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||||||
|
else
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||||||
|
{
|
||||||
|
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 */
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
/* ---------------------------------------------------------------------------
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||||||
|
* 三个中断入口，分别在链接脚本固定住的 0x100 / 0x200 / 0x300。
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*
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||||||
|
* 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，
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||||||
|
* 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，
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||||||
|
* 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
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||||||
|
* 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
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||||||
|
* 栈里恢复原来的 MIE。
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||||||
|
* IRQ2 = 0x200：**鼠标读取**。C 主体用 -ffixed 编译（只用 s 寄存器和 sp），
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||||||
|
* 所以入口只要保存 ra。
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||||||
|
* IRQ3 = 0x300：备用（保留给拨码开关等外部源）。
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||||||
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* ------------------------------------------------------------------------- */
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extern void level_main(void);
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||||||
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||||||
|
__attribute__((naked, section(".text.isr1"), used, noinline)) void isr1_entry(void)
|
||||||
|
{
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||||||
|
__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");
|
||||||
|
}
|
||||||
@@ -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
|
||||||
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.text.isr1 0x00000100 : /* IRQ1：关卡（游戏）入口 */
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{
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||||||
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KEEP(*(.text.isr1))
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||||||
|
} > ROM
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||||||
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.text.isr2 0x00000200 : /* IRQ2：鼠标读取 */
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||||||
|
{
|
||||||
|
KEEP(*(.text.isr2))
|
||||||
|
} > ROM
|
||||||
|
|
||||||
|
.text.isr3 0x00000300 : /* IRQ3：备用 */
|
||||||
|
{
|
||||||
|
KEEP(*(.text.isr3))
|
||||||
|
} > ROM
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.text :
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{
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*(.text)
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*(.text.*)
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. = ALIGN(4);
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} > ROM
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/* ------------------------- 符号 ------------------------- */
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||||||
|
__stack_top = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - 4; /* 0x0FFC */
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|
__isr_vector = 0x00000100;
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/* .bss 不能长到撞到栈 */
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ASSERT(__bss_end < (__stack_top - 0x200),
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|
"错误：.bss 太大，会覆盖栈；请缩小棋盘或加大 RAM_WORDS")
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||||||
|
}
|
||||||
@@ -0,0 +1,108 @@
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|||||||
|
/* -----------------------------------------------------------------------------
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|
* 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**）
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*
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* 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。
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* 写用 *(volatile unsigned *)addr（sw 全字写）或 *(volatile unsigned char *)addr
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* （sb 字节写，显存必须用这个）。
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*
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* -----------------------------------------------------------------------------
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* 地址表（与 pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v 里的译码完全一致）：
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*
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* 0x0000_0000 - 0x0000_0FFF 数据 RAM（4 KB，栈 + 全局变量）
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* 0x0000_1000 LED 数据寄存器（低 16 位点亮 LED）
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* 0x0000_1004 七段数码管：8 位十六进制（低 4 位 = 最右）
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* 0x0000_1100 + 0x00 STATUS [0] 事件FIFO非空 [5:1] 项数 [6] 中断使能 [7] 满
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* 0x0000_1100 + 0x04 DATA [7:0] dx [15:8] dy [20:16] 按键（读无副作用）
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* 0x0000_1100 + 0x08 ACK 写任意值 -> 弹出一次事件
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* 0x0000_1100 + 0x0C CTRL [0] 鼠标中断使能
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|
* 0x0000_1100 + 0x10 INPUT [15:0] 拨码开关 [20:16] 按键
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* 0x0000_1100 + 0x14 TIME 自由计数器（随机种子）
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* 0x0000_1100 + 0x18 FRAME VGA 帧计数（闪烁用）
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* 0x0000_1100 + 0x1C EVENTCNT 累计事件数
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* 0x0000_1100 + 0x20 LEVEL 写 1 -> 触发"关卡入口"软件中断（IRQ2）
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* 0x0000_1100 + 0x24 MAGIC 0xCAFE0002（自检：读得到说明 MMIO 活着）
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* 0x0000_1140 + 0x00 DISP_CTRL [0] 光标可见 [6:4] 背景色
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* 0x0000_1140 + 0x04 DISP_CURSOR [5:0] 列 [13:8] 行
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* 0x0000_1140 + 0x08 DISP_MAGIC 0xCAFE0001
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|
* 0x0000_2000 - 0x0000_27FF 显存：40 列 x 30 行，每格 1 字节，共 1200 字节
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*
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* 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）。
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* 左键点击 -> 事件的 btn 位 0 置 1；右键（PS/2）-> 位 1。
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*
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* ⚠ 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。
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* ⚠ 三个中断入口必须与 linker.ld 里 .text.isr1/2/3 的地址一致：
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* IRQ1(0x100) = 关卡（游戏）入口，IRQ2(0x200) = 鼠标读取，IRQ3(0x300) = 备用。
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* 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）。
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* ---------------------------------------------------------------------------*/
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#ifndef SAOLEI_MMIO_H
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#define SAOLEI_MMIO_H
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/* ---- LED / 七段数码管 ---- */
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#define LED_ADDR 0x00001000u
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#define REG_SEG 0x00001004u
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/* ---- 显存 ---- */
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#define FB_BASE 0x00002000u /* 显存起始（字节地址） */
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#define FB_PITCH 40u /* 每行 40 格 */
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#define FB_ROWS 30u /* 30 行 */
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#define GRID_COLS 40u
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#define GRID_ROWS 30u
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/* ---- 鼠标寄存器组 ---- */
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#define REG_STATUS 0x00001100u
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#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 ---- */
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||||||
|
#define REG_CTRL 0x00001140u
|
||||||
|
#define REG_CURSOR 0x00001144u
|
||||||
|
#define REG_DMAGIC 0x00001148u
|
||||||
|
|
||||||
|
/* ---- 访问宏 ---- */
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#define REG_R(a) (*(volatile unsigned *)((unsigned)(a)))
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|
#define REG_W(a) (*(volatile unsigned *)((unsigned)(a)))
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||||||
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||||||
|
/* 显存按字节写（只能 sb，不能 lb —— 这颗核没有 lb/lbu） */
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||||||
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static inline void fb_write(unsigned idx, unsigned val)
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{
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||||||
|
*(volatile unsigned char *)(FB_BASE + idx) = (unsigned char)(val & 0xFFu);
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
/* ---- 格子编码：1 字节 = [3:0] 字形 [6:4] 颜色 [7] 保留 ---- */
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||||||
|
#define G_BLANK 0u /* 空 */
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|
#define G_N1 1u /* 数字 1..8 = 1..8 */
|
||||||
|
#define G_COVER 9u /* 未揭开 */
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||||||
|
#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 */
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||||||
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|
#define C_BLACK 0u
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|
#define C_BLUE 1u
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#define C_GREEN 2u
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#define C_CYAN 3u
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|
#define C_RED 4u
|
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|
#define C_MAGENTA 5u
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|
#define C_YELLOW 6u
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||||||
|
#define C_GRAY 7u
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||||||
|
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||||||
|
#define CELL(g, c) ((unsigned)((g) | ((c) << 4)))
|
||||||
|
|
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|
/* ---- 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 ---- */
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|
#define EVQ_SIZE 64u
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||||||
|
#define EVQ_MASK (EVQ_SIZE - 1u)
|
||||||
|
extern volatile unsigned g_evq[EVQ_SIZE];
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|
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 */
|
||||||
@@ -0,0 +1,635 @@
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|
/* -----------------------------------------------------------------------------
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||||||
|
* saolei.c —— 纯 C 扫雷（RV32IM 子集：只用这颗核实现了的指令）
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|
*
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||||||
|
* 显示：把每个格子写成显存里的 1 个字节（MMIO 0x2000 起）
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|
* 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
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||||||
|
*
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||||||
|
* 针对这颗 CPU 的硬约束（很重要，改代码时别踩）：
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* 1) 存储只有 lw / sw / sb，**没有 lb/lh/lbu/lhu** ——
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|
* 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。
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|
* 2) **没有 auipc** —— 编译时必须 -fno-pic -mcmodel=medlow，并且不能出现
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|
* 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）。
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||||||
|
* 3) 乘除只有 mul/mulh/mulhsu/mulhu 和**无符号**的 divu/remu ——
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|
* 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。
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|
* 4) 没有 fence/ebreak 等；中断返回是 uret（在 isr.c 里）。
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||||||
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*
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* 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）
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|
* 网格：40 列 x 30 行，棋盘居中放在 (行 7..22, 列 12..27)
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||||||
|
* ---------------------------------------------------------------------------*/
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#include "mmio.h"
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#define BW 16u /* 棋盘宽（格） */
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||||||
|
#define BH 16u /* 棋盘高（格） */
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||||||
|
#define NCELLS (BW * BH) /* 256 */
|
||||||
|
#define NMINES 40u
|
||||||
|
#define BM_WORDS (NCELLS / 32u) /* 8 */
|
||||||
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|
#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
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||||||
|
#define ST_WIN 1u
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||||||
|
#define ST_LOSE 2u
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||||||
|
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||||||
|
/* ---- 棋盘状态：3 个位图，每个 8 个字（256 位） ---- */
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||||||
|
static unsigned mine_bm[BM_WORDS];
|
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|
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） */
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||||||
|
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);
|
||||||
|
|
||||||
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int main(void)
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||||||
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{
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||||||
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crt_zero_bss(); /* 清 .bss（上电 RAM 本来就是 0，保险起见） */
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||||||
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||||||
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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 */
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||||||
|
|
||||||
|
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"，
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||||||
|
* 关卡返回时又回到这个循环里继续。 */
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||||||
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for (;;)
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||||||
|
{
|
||||||
|
if (g_evq_head != g_evq_tail)
|
||||||
|
{
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||||||
|
unsigned ev = g_evq[g_evq_head];
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||||||
|
g_evq_head = (g_evq_head + 1u) & EVQ_MASK;
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||||||
|
handle_event(ev);
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||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
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||||||
@@ -0,0 +1,35 @@
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|
/* -----------------------------------------------------------------------------
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||||||
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* start.c —— C 运行时启动：设置栈指针、把控制权交给 main。
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*
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||||||
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* 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"）。
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* 复位时 PC = 0，所以 _start 必须落在 .text.init（见 linker.ld）。
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*
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||||||
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* 注意用的是 lui/addi 绝对寻址 + jalr，**不是** auipc —— 这颗核没有 auipc。
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* ---------------------------------------------------------------------------*/
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extern unsigned __stack_top[];
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||||||
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||||||
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int main(void);
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||||||
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||||||
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__attribute__((naked, section(".text.init"), used, noreturn)) void _start(void)
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|
{
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||||||
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__asm__ volatile(
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||||||
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"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。 */
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||||||
|
extern unsigned __bss_start[];
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extern unsigned __bss_end[];
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||||||
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||||||
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void crt_zero_bss(void)
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||||||
|
{
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||||||
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unsigned *p = __bss_start;
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||||||
|
while (p < __bss_end)
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||||||
|
{
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||||||
|
*p = 0u;
|
||||||
|
p = p + 1u;
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||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
@@ -0,0 +1,174 @@
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# =============================================================================
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# build.ps1 —— 扫雷程序一键构建：C -> 汇编/目标文件 -> ELF -> .hex + .vh
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#
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# 用法（在 saolei\ 目录下）：
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# powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\build.ps1
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# powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\build.ps1 -Prefix riscv64-unknown-elf-
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||||||
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#
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||||||
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# 产物（都在 saolei\build\ 下）：
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# saolei.lst objdump -d 反汇编清单（这就是"编译出来的汇编"，可以直接看）
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# saolei.elf 可执行文件
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# saolei.bin 裸二进制
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|
# saolei.hex $readmemh 格式：拷到 pipelined-cpu\srcs\rom\saolei.hex 就能
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|
# 用现成的测试平台（tb_no_intr 等）仿真
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||||||
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# saolei.map 链接 map（看段地址和大小）
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# 并且会生成 pipelined-cpu\srcs\board\cpu21_saolei_rom.vh —— 供 cpu21_board_top.v 用
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# `include 固化进 ROM（在 Vivado 里定义宏 SAOLEI_ROM 即可切换到扫雷程序）
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#
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# 构建流程里有三道针对这颗 CPU 的关卡：
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# 1) -fno-pic -mcmodel=medlow -mno-relax：避免 auipc / 链接器松弛
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# 2) 链接脚本里的 ASSERT：禁止 .data / .rodata（这颗核读不到 ROM 里的数据）
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# 3) tools\check_isa.py：逐条检查反汇编，凡是用到未实现指令（auipc/lb/lbu/div...）
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# 直接报错并给出修复提示
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# =============================================================================
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param(
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[string]$Prefix = "",
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[int]$RomWords = 8192,
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[switch]$SkipIsaCheck
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)
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$ErrorActionPreference = 'Stop'
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$root = Split-Path -Parent $PSScriptRoot
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$sw = Join-Path $root 'sw'
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|
$build = Join-Path $root 'build'
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New-Item -ItemType Directory -Force $build | Out-Null
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# ---------------------------------------------------------------- 工具链探测
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if (-not $Prefix) {
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foreach ($cand in 'riscv-none-elf-', 'riscv64-unknown-elf-', 'riscv32-unknown-elf-',
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||||||
|
'riscv-none-embed-', 'riscv64-linux-gnu-') {
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||||||
|
if (Get-Command ($cand + 'gcc') -ErrorAction SilentlyContinue) { $Prefix = $cand; break }
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||||||
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}
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||||||
|
}
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||||||
|
if (-not $Prefix) {
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|
Write-Output "ERROR: 找不到 RISC-V 交叉编译器（riscv*-gcc）。"
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|
Write-Output ""
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||||||
|
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）："
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|
Write-Output " 1) 打开 https://github.com/xpack-dev-tools/riscv-none-elf-gcc-xpack/releases"
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|
Write-Output " 2) 下载 win32-x64 的 .zip（例如 xpack-riscv-none-elf-gcc-14.2.0-3-win32-x64.zip）"
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||||||
|
Write-Output " 3) 解压到例如 C:\tools\riscv-none-elf-gcc"
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||||||
|
Write-Output " 4) 把 C:\tools\riscv-none-elf-gcc\bin 加进 PATH（或者直接运行本脚本时）："
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|
Write-Output " powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\build.ps1 -Prefix 'C:\tools\riscv-none-elf-gcc\bin\riscv-none-elf-'"
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exit 1
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||||||
|
}
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|
$GCC = $Prefix + 'gcc'
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|
$OBJDUMP = $Prefix + 'objdump'
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||||||
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$OBJCOPY = $Prefix + 'objcopy'
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||||||
|
$SIZE = $Prefix + 'size'
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||||||
|
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|
Write-Output "工具链前缀: $Prefix"
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|
# ---------------------------------------------------------------- 编译参数
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# -march=rv32im_zicsr : RV32I + M 扩展 + Zicsr（CSR 指令：csrrw/csrrsi/csrrci）。
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# GCC 15 起不再默认给 rv32im 开 zicsr，中断入口里的
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|
# csrrsi 必须显式打开这个扩展才认。
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# -mcmodel=medlow -fno-pic : 用 lui/addi 绝对寻址，不产生 auipc
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|
# **必须放开链接器松弛**（不要 -mno-relax）：gcc 的函数调用默认是
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# auipc ra, %pcrel_hi(f) + jalr ra, ra, %pcrel_lo(f)
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||||||
|
# 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）。
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||||||
|
# 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
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||||||
|
# 变成 gp 相对访问 —— 后者已被 -msmall-data-limit=0 从根上禁止。
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||||||
|
# -msmall-data-limit=0 : 不用 gp 相对寻址
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||||||
|
# -fno-builtin -nostdlib -ffreestanding : 不要 libc（没有环境，也没有 printf）
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||||||
|
# -fno-jump-tables : 不生成跳转表（跳转表会落在 .rodata，这颗核读不到）
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||||||
|
$ccCommon = @(
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||||||
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'-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'
|
||||||
|
)
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||||||
|
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||||||
|
# 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。
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|
# 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。
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||||||
|
$fixedRegs = @()
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||||||
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foreach ($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
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||||||
|
$objs = @()
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||||||
|
# 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 $LASTEXITCODE）
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|
function Invoke-Tool {
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param([string]$Exe, [string[]]$ArgList, [string]$What)
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||||||
|
& $Exe @ArgList
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||||||
|
if ($LASTEXITCODE -ne 0) {
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||||||
|
Write-Output ("ERROR: 失败 -> " + $What)
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exit 1
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}
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||||||
|
}
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|
|
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|
Write-Output "编译 start.c ..."
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||||||
|
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 ..."
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||||||
|
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
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|
$elf = Join-Path $build 'saolei.elf'
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$map = Join-Path $build 'saolei.map'
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|
$ld = Join-Path $sw 'linker.ld'
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||||||
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||||||
|
Write-Output "链接 ..."
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|
# 注意：PowerShell 会把未加引号的 "-Wl,--no-relax" 当成参数对解析（逗号引起），
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|
# 所以这里统一用参数数组，所有选项都带引号。
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|
$linkArgs = @(
|
||||||
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'-march=rv32im_zicsr', '-mabi=ilp32', '-nostdlib', '-nostartfiles',
|
||||||
|
"-Wl,-Map=$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
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||||||
|
$lst = Join-Path $build 'saolei.lst'
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||||||
|
& $OBJDUMP -d -M no-aliases $elf | Out-File -Encoding utf8 $lst
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||||||
|
Write-Output "反汇编清单: $lst"
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||||||
|
$isaOk = $true
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if (-not $SkipIsaCheck) {
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||||||
|
Write-Output ""
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||||||
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& py (Join-Path $PSScriptRoot 'check_isa.py') $lst
|
||||||
|
if ($LASTEXITCODE -ne 0) { $isaOk = $false }
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
# ---------------------------------------------------------------- 转 hex / vh
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||||||
|
$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
|
||||||
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|
||||||
|
$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 (" " + $l) }
|
||||||
|
Write-Output " 三个中断入口必须和顶层 cpu21_board_top 的参数一致："
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||||||
|
Write-Output " linker.ld 的 .text.isr1/2/3 = IRQ1/2/3_VECTOR = 0x100/0x200/0x300"
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||||||
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||||||
|
Write-Output ""
|
||||||
|
if ($isaOk) {
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||||||
|
Write-Output "构建完成：$hex 与 $vh 已生成。"
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||||||
|
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 {
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||||||
|
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。"
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||||||
|
exit 1
|
||||||
|
}
|
||||||
@@ -0,0 +1,113 @@
|
|||||||
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#!/usr/bin/env python3
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||||||
|
"""check_isa.py —— 校验反汇编清单里没有这颗 CPU 未实现的指令。
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||||||
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|
用法: python tools/check_isa.py <objdump输出.txt>
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||||||
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|
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：
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|
* 没有 auipc -> 编译器一旦生成它，整段代码就废了（多为 PIC/rodata 引起）
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||||||
|
* 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。
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||||||
|
退出码 = 违规条数（>255 时截断），0 表示通过。
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||||||
|
"""
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||||||
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||||||
|
import sys
|
||||||
|
|
||||||
|
# 这颗 CPU 真正实现了的指令（见 cpu21_riscv_decoder.v）
|
||||||
|
ALLOWED = {
|
||||||
|
# R 型
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||||||
|
"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
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||||||
|
"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
|
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|
HINTS = {
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||||||
|
"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）",
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
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||||||
|
def main():
|
||||||
|
if len(sys.argv) < 2:
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||||||
|
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()
|
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for addr, mnemonic, raw in violations[:40]:
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print(" %s %s" % (addr, raw.strip()))
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seen.add(mnemonic)
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if len(violations) > 40:
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print(" ...（只列出前 40 条）")
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print("")
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print("修复提示：")
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for m in sorted(seen):
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print(" * %s: %s" % (m, HINTS.get(m, "不在本 CPU 的指令白名单里")))
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return min(len(violations), 255)
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if __name__ == "__main__":
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sys.exit(main())
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@@ -0,0 +1,66 @@
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#!/usr/bin/env python3
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"""elf2hex.py —— 把 objcopy 出来的裸二进制转成 ROM 需要的两份文件。
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用法: python tools/elf2hex.py <input.bin> <output.hex> [ROM_WORDS] [output.vh]
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产出：
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1) <output.hex> 每行一个 32 位字（$readmemh 格式，供 srcs/rom/ 下的
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测试平台加载，例如拷成 srcs/rom/saolei.hex）
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2) <output.vh>（可选） rom[i] = 32'h...; 语句，供
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pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v 里 `include
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固化进片内 ROM（未用到的地址填 NOP 0x00000013）
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（未用到的地址填 NOP 0x00000013）
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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。
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"""
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import sys
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NOP = 0x00000013
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def main():
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if len(sys.argv) < 3:
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print("用法: python tools/elf2hex.py <input.bin> <output.hex> [ROM_WORDS] [output.vh]")
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return 2
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src = sys.argv[1]
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dst = sys.argv[2]
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words_total = int(sys.argv[3]) if len(sys.argv) > 3 else 8192
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vh_path = sys.argv[4] if len(sys.argv) > 4 else None
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with open(src, "rb") as f:
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data = f.read()
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if len(data) % 4 != 0:
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print("警告：二进制长度 %d 不是 4 的倍数，尾部会被补 0" % len(data))
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data += b"\x00" * (4 - len(data) % 4)
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words = []
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for i in range(0, len(data), 4):
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words.append(int.from_bytes(data[i:i + 4], "little"))
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if len(words) > words_total:
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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）"
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% (len(words), words_total))
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return 1
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with open(dst, "w", encoding="ascii") as f:
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for w in words:
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f.write("%08X\n" % w)
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if vh_path:
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with open(vh_path, "w", encoding="utf-8") as f:
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f.write(" // 由 tools/elf2hex.py 生成，请勿手工编辑\n")
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f.write(" // 源文件：%s（%d 个字，其余填 NOP）\n" % (src, len(words)))
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for addr in range(words_total):
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w = words[addr] if addr < len(words) else NOP
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f.write(" rom[%d] = 32'h%08X;\n" % (addr, w))
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print("已生成 %s（%d 个字）%s" % (dst, len(words),
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("、%s（%d 个字，NOP 填充）" % (vh_path, words_total)) if vh_path else ""))
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return 0
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if __name__ == "__main__":
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sys.exit(main())
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