`timescale 1ns / 1ps `default_nettype none // ----------------------------------------------------------------------------- // 上板顶层（Nexys4DDR，xc7a100tcsg324-1） // // 处理器顶层 cpu21_riscv_redirect_int_bpb 暴露了 775 位调试端口（各级 PC/IR、 // 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 // 开发板真正需要的外设引出来，其余调试端口不连接，因此不占用引脚： // // clk100 (E3) -> CPU 时钟（100 MHz，经 CPU_DIV 分频后给 CPU；默认 50 MHz， // 跑中断综合测试程序时用更慢的 CLK_DIV_INTRUPT， // 让数码管上每个数值停留更久，便于观察） // rst_n (C12) -> 复位按键 CPU_RESETN，低有效，经复位同步器 // go (N17) -> 按键 BTNC：ecall 停机后按下继续运行 // irq_sw[2:0] -> 拨码开关 SW[2:0]：3 路中断源 // led[15:0] -> 板载 LED[15:0]：LED[2:0] = 三路中断指示，从该路中断 // 请求出现开始点亮，一直到它的 ISR 执行 uret 返回后才熄灭； // LED[15:3] 熄灭 // led_we (R12) -> LED16_B：有 MMIO 写入时亮，并拉长约 0.34 s 便于观察 // an/seg/dp -> 板载 8 位七段数码管：显示程序写入 LED_ADDR 的 32 位 // 十六进制数据（每 4 位对应一个数码管） // // 片内存储器： // ROM：ROM_WORDS 字，组合读，内容由 `include "cpu21_board_rom.vh"` 给出 // （该文件由 tools/hex2vh.py 从 testbench/programs/*.hex 生成）； // RAM：RAM_WORDS 字，字节写使能 + 组合读；只响应地址 < 2^(RAM_AW+2)， // 因此 MMIO 地址不会落进 RAM（避免与 LED_ADDR 别名）。 // // 注意：ROM_WORDS / RAM_WORDS 需为 2 的幂（默认 1024，对应地址位 [11:2]）。 // ----------------------------------------------------------------------------- module cpu21_board_top #( parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000, parameter ROM_WORDS = 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, // 中断综合测试程序（RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM）专用的 CPU 分频比。 // 该程序每次显示之间的延时常量是按 50 MHz 调的：50 MHz 下每个数值只停留 // 约 10 ms，数码管上根本读不出来。停留时间与分频比成正比，例如： // 8 → 12.5 MHz（每个数值约 40 ms）、16 → 6.25 MHz（约 80 ms）、 // 32 → 3.125 MHz（约 160 ms）、64 → 1.5625 MHz（约 320 ms）。 // 取大于 2 的值只是把实际时钟变慢，XDC 的 cpu_clk 仍按最坏情况 50 MHz 约束， // 所以不会掩盖时序违例（约束偏严）。 parameter integer CLK_DIV_INTRUPT = 32, // 鼠标事件源：0 = 板上 5 向按键（免外设，默认）；1 = PS/2 鼠标（Pmod JA） parameter integer USE_PS2_MOUSE = 1, // 1 = 启用板载 USB HID 口（PS/2 键鼠），板载按键同时有效 // 调试：1 = 把 PS/2 收到的字节数显示在 LED[15:3]（LED[2:0] 仍是中断指示）。 // 验证 PS/2 通不通时打开：鼠标一动数字就跳；一直是 0 说明根本没收到 PS/2 数据。 parameter integer DEBUG_PS2_RX_LED = 1, // 5 向按键去抖的采样周期（CPU 周期数）：上板默认 50000（1 ms @50 MHz）。 // 仿真里可以传一个小值，让"按一下"在几十微秒内就被识别。 parameter integer POINTER_SAMPLE_DIV = 50000 ) ( input wire clk100, // E3 input wire rst_n, // C12：CPU_RESETN，低有效 input wire go, // N17：BTNC（同时用作鼠标左键） input wire [ 2:0] irq_sw, // SW[2:0]：原来的 3 路中断源（保持兼容） input wire btnu, // M18：光标上 input wire btnd, // P18：光标下 input wire btnl, // P17：光标左 input wire btnr, // M17：光标右 input wire sw_flag, // R15：SW[3]，插旗模式（软件读 INPUT 寄存器） output wire [15:0] led, // LED[15:0] output wire led_we, // LED16_B：MMIO 写入指示 // 七段数码管（共阳极：位选/段选都是低有效） output wire [ 7:0] an, output wire [ 6:0] seg, output wire dp, // VGA output wire [ 3:0] vga_r, output wire [ 3:0] vga_g, output wire [ 3:0] vga_b, output wire vga_hs, output wire vga_vs, // PS/2（只有 USE_PS2_MOUSE=1 时才用） input wire ps2_clk, input wire ps2_data ); localparam ROM_AW = $clog2(ROM_WORDS); localparam RAM_AW = $clog2(RAM_WORDS); // CPU 时钟实际用的分频比：中断综合测试程序用更慢的 CLK_DIV_INTRUPT， // 其余程序用 CLK_DIV。两者必须都是偶数（保证 50% 占空比）。 `ifdef RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM localparam integer CPU_DIV = CLK_DIV_INTRUPT; `elsif RISC_V_INTRUPT_SLLSB_ROM localparam integer CPU_DIV = CLK_DIV_INTRUPT; `else localparam integer CPU_DIV = CLK_DIV; `endif // 数码管扫描分频：目标是“每位数码管约 125 Hz 刷新”（即每步 1 ms），与 CPU // 时钟频率无关。每步时间 = REFRESH_DIV / f_cpu，而 f_cpu = 100 MHz / CPU_DIV， // 所以 REFRESH_DIV = 1 ms × f_cpu = 100000 / CPU_DIV： // CPU_DIV = 2（ 50 MHz）-> 50000（每步 1 ms，每位数码管 125 Hz） // CPU_DIV = 8（12.5 MHz）-> 12500（同上） // 例：CPU_DIV = 32（3.125 MHz）-> 3125（每步仍是 1 ms）。 // 不这样缩放的话，CPU 降频时扫描会按同样比例变慢，肉眼能看到闪烁。 localparam integer SEG_REFRESH_DIV = 100000 / CPU_DIV; wire arst = ~rst_n; // 异步复位（高有效） // --------------------------------------------------------------------------- // 时钟：100 MHz / CPU_DIV 给 CPU。默认 50 MHz（CLK_DIV=2）；跑中断综合测试 // 程序时用更慢的 CLK_DIV_INTRUPT（见该参数说明），让数码管上的数值停留更久。 // // 乘除法已经是 cpu21_riscv_muldiv 里的多周期单元，关键路径上不再有组合的 // 32x32 乘法/除法；剩下的违例路径是 EX 级“分支判决/中断保存 → BPB 更新”， // 与乘除法无关，实测 100 MHz 下 WNS = -1.1 ns，50 MHz 下余量约 +8 ns。 // 分频后的时钟由 Vivado 自动插 BUFG；XDC 里用 create_generated_clock 声明。 // XDC 按最坏情况固定成 -divide_by 2（50 MHz），所以这里把实际时钟变慢属于 // “约束偏严”，不会掩盖时序违例。 // // 中断综合测试程序会用更慢的 CPU_DIV（见 CLK_DIV_INTRUPT）：程序里的延时常量 // 按 50 MHz 调好，50 MHz 下每个数值只停留约 10 ms，读数根本看不清； // 停留时间与分频比成正比，具体见 CLK_DIV_INTRUPT 的说明。 // 注意：VGA 的 25 MHz 像素节拍也是从这个 CPU 时钟分频出来的，CPU 降频时 // VGA 行场时序会跟着变慢（超出 VGA 规范）。中断测试程序不用 VGA，无影响。 // --------------------------------------------------------------------------- reg [15:0] clk_cnt; reg clk_div; always @(posedge clk100 or posedge arst) begin if (arst) begin clk_cnt <= 16'd0; clk_div <= 1'b0; end else if (clk_cnt == (CPU_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 [15:0] ps2_rx_count; // PS/2 收到的字节数（用于 LED 调试显示） wire [31:0] led_data; // LED_ADDR 写入值，同时作为七段数码管显示数据 wire led_valid; // 扫雷扩展外设的连线（先声明，例化在下面） wire [31:0] disp_ctrl, disp_cursor; // 显示控制器（CPU 内部 MMIO 驱动） wire [31:0] seg_data; // 保留的独立数码管 MMIO 数据 wire seg_valid; wire fb_we; // 显存写端口 wire [ 9:0] fb_waddr; wire [31:0] fb_wdata; wire [ 3:0] fb_wstrb; wire [ 9:0] fb_raddr; // 显存读端口（VGA） wire mouse_irq, level_irq; // 鼠标事件中断 / 软件中断（关卡入口） wire [1:0] irq_level; // 当前正在服务的中断级别（0 = 不在中断里，1/2/3 = 在 ISR 里） wire frame_tick; wire [15:0] sw_vec = {12'b0, sw_flag, irq_sw}; // 中断连线：SW0 与鼠标共用一个入口，SW1 与"关卡入口"共用一个入口。 // 中断线对应关系（必须与 saolei/sw/linker.ld、mmio.h 的约定一致）： // irq_vec[0] = IRQ1 -> 入口 0x100 = 关卡（游戏），由 LEVEL 软件中断拉起 // irq_vec[1] = IRQ2 -> 入口 0x200 = 鼠标读取，由事件 FIFO 非空拉起 // irq_vec[2] = IRQ3 -> 入口 0x300 = 备用 // （原来 mouse 接在 [0]、level 接在 [1]，正好对调：第一个鼠标事件会跳进关卡 // 入口把棋盘画出来，而鼠标 ISR 永不执行，FIFO 不弹空、中断线恒高 —— 于是 // 只能收到一次事件。拨码开关 SW[2:0] 仍按位 OR 进来，兼容原中断测试程序。） wire [2:0] irq_vec = {irq_sw[2], (mouse_irq | irq_sw[1]), (level_irq | irq_sw[0])}; // --------------------------------------------------------------------------- // 指令 ROM：组合读（未用到的地址填 NOP） // --------------------------------------------------------------------------- reg [31:0] rom[0:ROM_WORDS-1]; integer i; initial begin for (i = 0; i < ROM_WORDS; i = i + 1) rom[i] = 32'h0000_0013; // NOP 填充 `ifdef SAOLEI_ROM // 扫雷程序（由 saolei/tools/build.ps1 生成的 cpu21_saolei_rom.vh）。 // 综合/仿真时定义宏 SAOLEI_ROM 即可切换到这个程序；不定义就是下面的跑马灯。 `include "cpu21_saolei_rom.vh" `elsif RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM // 中断综合测试程序：三个中断入口由镜像中的实际标签位置决定。 `include "risc-v-intrupt-ccab.vh" `elsif RISC_V_INTRUPT_SLLSB_ROM // 课程新版中断测试（附加 SLL/SB/BLTU），ISR 入口 0x0AC / 0x240 / 0x3E8。 `include "risc-v-intrupt-sllsb.vh" `elsif BOARD_ROM_FAST // 仿真专用：把演示程序的延时改小的版本（综合流程不会用到） `include "cpu21_board_rom_fast.vh" `else `include "cpu21_board_rom.vh" `endif end // --------------------------------------------------------------------------- // 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), // 中断入口必须与所选 ROM 镜像中的 ISR 起点一致。 `ifdef RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM // risc-v-intrupt-ccab.hex：字 43/121/194 .IRQ1_VECTOR (32'h0000_00AC), .IRQ2_VECTOR (32'h0000_01E4), .IRQ3_VECTOR (32'h0000_0308) `elsif RISC_V_INTRUPT_SLLSB_ROM // risc-v-intrupt-sllsb.hex：字 43/144/250（加了 SLL/SB/BLTU 后 ISR2/3 后移） .IRQ1_VECTOR (32'h0000_00AC), .IRQ2_VECTOR (32'h0000_0240), .IRQ3_VECTOR (32'h0000_03E8) `else // 扫雷程序：linker.ld 中固定的 0x100/0x200/0x300 .IRQ1_VECTOR (32'h0000_0100), .IRQ2_VECTOR (32'h0000_0200), .IRQ3_VECTOR (32'h0000_0300) `endif ) u_cpu ( .clk (clk_cpu), .reset (reset), .instr_i (instr_word), .data_rdata_i(data_rdata), .irq_i (irq_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), // 中断服务级别，供板上的中断指示 LED 使用（见下面 LED 那一段） .irq_current_level_o(irq_level) ); // --------------------------------------------------------------------------- // 板载 LED：三路中断指示；十六进制数据改由七段数码管显示。 // // 第 k 路中断从"请求出现"开始点亮，一直亮到它的 ISR 执行完 uret（中断返回） // 之后才熄灭： // 置位：irq_vec[k] 的上升沿。中断控制器内部也是按上升沿响应中断的 // （cpu21_riscv_irq_ctrl 里的 irq_event），两者行为一致；开关一直 // 接通不会重复点亮，只有新的上升沿才会重新置位。 // 清零：服务级别 irq_level 从 k+1 **降下来**，说明第 k+1 级的中断已经返回。 // 注意必须判断“下降”：级别从 1 升到 2 是深层中断抢占，此时第 1 级 // 的中断还在服务中，LED 不能熄。中断可以嵌套，返回时按级别逐层降 // 下来，因此每一路都在自己的 ISR 结束时熄灭。 // --------------------------------------------------------------------------- reg [2:0] irq_req_q; // 中断请求打一拍，用于取上升沿 reg [1:0] irq_level_q; // 服务级别打一拍，用于检测"返回" reg [2:0] irq_led_q; // 三路中断指示 wire isr_ret0 = (irq_level_q == 2'd1) && (irq_level < irq_level_q); wire isr_ret1 = (irq_level_q == 2'd2) && (irq_level < irq_level_q); wire isr_ret2 = (irq_level_q == 2'd3) && (irq_level < irq_level_q); always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin if (arst) begin irq_req_q <= 3'b000; irq_level_q <= 2'd0; irq_led_q <= 3'b000; end else begin irq_req_q <= irq_vec; irq_level_q <= irq_level; // 请求上升沿 -> 点亮；对应级别的 ISR 返回 -> 熄灭 irq_led_q[0] <= (irq_vec[0] & ~irq_req_q[0]) | (irq_led_q[0] & ~isr_ret0); irq_led_q[1] <= (irq_vec[1] & ~irq_req_q[1]) | (irq_led_q[1] & ~isr_ret1); irq_led_q[2] <= (irq_vec[2] & ~irq_req_q[2]) | (irq_led_q[2] & ~isr_ret2); end end // LED[15:3] 平时熄灭；DEBUG_PS2_RX_LED=1 时用它显示 PS/2 收到的字节数， // 便于在没有调试器的情况下判断"鼠标到底有没有数据进来"。 assign led = (DEBUG_PS2_RX_LED != 0) ? {ps2_rx_count[12:0], irq_led_q} : {{13{1'b0}}, irq_led_q}; reg [23:0] led_we_cnt; always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin if (arst) led_we_cnt <= 24'd0; else if (led_valid) led_we_cnt <= 24'hFF_FFFF; // 约 0.34 s @50 MHz // （12.5 MHz 下约 1.36 s） else if (led_we_cnt != 24'd0) led_we_cnt <= led_we_cnt - 24'd1; end assign led_we = (led_we_cnt != 24'd0); // =========================================================================== // 扫雷外设：显存 + VGA + 七段数码管 + 鼠标事件源 + 中断连线 // // 显存是一块 2400 字节的双口 RAM（40x30 格，每格 2 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 = 600; // 600 字 = 2400 字节，40x30 格每格 2 字节 // ---- 显存 ---- reg [31:0] fb[0:FB_WORDS-1]; integer k; initial begin for (k = 0; k < FB_WORDS; k = k + 1) fb[k] = 32'b0; end always @(posedge clk_cpu) begin if (fb_we) begin if (fb_wstrb[0]) fb[fb_waddr][7:0] <= fb_wdata[7:0]; if (fb_wstrb[1]) fb[fb_waddr][15:8] <= fb_wdata[15:8]; if (fb_wstrb[2]) fb[fb_waddr][23:16] <= fb_wdata[23:16]; if (fb_wstrb[3]) fb[fb_waddr][31:24] <= fb_wdata[31:24]; end end wire [31:0] fb_rdata = fb[fb_raddr]; // ---- VGA 像素节拍：clk_cpu 二分频 => 25 MHz ---- reg px_q; always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin if (arst) px_q <= 1'b0; else px_q <= ~px_q; end wire px_tick = ~px_q; cpu21_vga u_vga ( .clk (clk_cpu), .reset (reset), .tick (px_tick), .fb_raddr_o (fb_raddr), .fb_word_i (fb_rdata), .ctrl_i (disp_ctrl), .cursor_i (disp_cursor), .vga_r (vga_r), .vga_g (vga_g), .vga_b (vga_b), .vga_hs (vga_hs), .vga_vs (vga_vs), .frame_tick_o(frame_tick) ); // ---- 七段数码管（显示程序写入 LED_ADDR 的 8 位十六进制数）---- // 扫描分频按 CPU 时钟频率缩放，保持每位数码管约 125 Hz 刷新（不闪烁）。 cpu21_seg7 #( .REFRESH_DIV(SEG_REFRESH_DIV) ) u_seg7 ( .clk (clk_cpu), .reset (reset), .seg_data_i(led_data), .an_en_i (8'hFF), .an_o (an), .seg_o (seg), .dp_o (dp) ); // ---- 鼠标事件源：板载按键 与 PS/2 鼠标**同时**有效（两路事件在顶层合并） ---- wire ev_valid; wire [7:0] ev_dx, ev_dy; wire [4:0] ev_btn; wire [4:0] btn_vec = {go, btnu, btnd, btnl, btnr}; // {BTNC, BTNU, BTND, BTNL, BTNR} // 1) 板载按键：永远保留（BTNC 当左键、上下左右当移动、SW3 当插旗开关） wire ptr_valid; wire [7:0] ptr_dx, ptr_dy; wire [4:0] ptr_btn; cpu21_pointer #( .SAMPLE_DIV(POINTER_SAMPLE_DIV) ) u_ptr ( .clk (clk_cpu), .reset (reset), .btn_i (btn_vec), .ev_valid_o(ptr_valid), .ev_dx_o (ptr_dx), .ev_dy_o (ptr_dy), .ev_btn_o (ptr_btn) ); // 2) PS/2 鼠标：板载 USB HID 口经板上芯片转成 PS/2 信号（ps2_clk/ps2_data） wire ps2_valid; wire [7:0] ps2_dx, ps2_dy; wire [4:0] ps2_btn; generate if (USE_PS2_MOUSE != 0) begin : g_ps2 cpu21_ps2_mouse u_ps2 ( .clk (clk_cpu), .reset (reset), .ps2_clk_i (ps2_clk), .ps2_clk_oe_o (), .ps2_data_i (ps2_data), .ps2_data_oe_o(), .ev_valid_o (ps2_valid), .ev_dx_o (ps2_dx), .ev_dy_o (ps2_dy), .ev_btn_o (ps2_btn), .rx_count_o (ps2_rx_count) ); end else begin : g_no_ps2 assign ps2_valid = 1'b0; assign ps2_dx = 8'd0; assign ps2_dy = 8'd0; assign ps2_btn = 5'd0; assign ps2_rx_count = 16'd0; end endgenerate // 3) 合并：同一拍只有一方产生事件（两个源相互独立），优先 PS/2 assign ev_valid = ps2_valid | ptr_valid; assign ev_dx = ps2_valid ? ps2_dx : ptr_dx; assign ev_dy = ps2_valid ? ps2_dy : ptr_dy; assign ev_btn = ps2_valid ? ps2_btn : ptr_btn; endmodule `default_nettype wire