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risc-v-cpu/pipelined-cpu/programs/isa_test.asm
Alpha f50639e90f feat(saolei): 新增纯 C 扫雷(MMIO 显示 + 中断读鼠标),扩展 CPU 外设并清理仓库
## 背景

在原有五级流水 CPU 的基础上,用一颗 RISC-V 工具链把"纯 C 写的扫雷"编译成机器码
固化进片内 ROM 运行,并为此把 MMIO 外设从"只有一个 LED 寄存器"扩展成
显示(VGA 显存)+ 七段数码管 + 鼠标事件(含中断)的完整子系统。
原 LED MMIO 的语义保持不变,原有跑马灯/中断/指令回归不受影响。

## 硬件(pipelined-cpu/srcs)

- cpu21_mmio.v:扩展成 MMIO 中枢,新增
  * 七段数码管寄存器(0x1004,8 位十六进制)
  * 鼠标寄存器组(0x1100+):STATUS/DATA/ACK/CTRL/INPUT/TIME/FRAME/EVCNT/LEVEL/MAGIC
    —— 含 16 项事件 FIFO 与 mouse_irq_o(读空自动回 0,不丢事件)
  * 显示控制器(0x1140+):CTRL(光标可见/背景色)、CURSOR(列、行)
  * 显存窗口(0x2000-0x27FF):写端口输出到板级顶层的双口 RAM,读保持组合读
  * LEVEL(0x1120):软件中断寄存器,写 1 拉起 level_irq_o(用作"关卡入口")
  * 地址译码、字节写合并、读数据 mux 全部按原风格实现
- 新增外设 RTL:cpu21_vga.v(640x480@60 按格子扫描,8x8 字模放大 2 倍)、
  cpu21_seg7.v(8 位数码管动态扫描)、cpu21_pointer.v(5 向按键→鼠标事件,1 ms 去抖
  + 事件排队)、cpu21_ps2_mouse.v(可选真鼠标,PS/2 11 位帧接收 + 3 字节包解析)
- cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v:新增外设总线端口(显存写/读回、鼠标事件输入、
  中断输出、数码管数据、帧脉冲),例化扩展后的 cpu21_mmio
- cpu21_board_top.v:接入显存双口 RAM + VGA + 数码管 + 鼠标事件源,中断接线为
  irq_i = {SW2, LEVEL|SW1, 鼠标|SW0};ROM 宏切换(定义 SAOLEI_ROM 加载扫雷程序);
  ROM_WORDS 1024→8192
- cpu21_board_top.xdc:新增按键、SW[3]、8 位数码管、VGA、PS/2 的全部引脚约束
- tb_board_top.v:新端口显式接 0/1,避免悬空影响原跑马灯回归
- create_project.tcl:把 cpu21_saolei_rom.vh 按 Verilog Header 条件加入

## 软件(saolei/)

- sw/mmio.h:全部 MMIO 地址与格子编码(换地址只改这一个文件)
- sw/saolei.c:纯 C 扫雷 —— 背景"伪操作系统" main()(开始界面)+ 关卡 level_main()
  (在 IRQ1 里跑完整局)+ 棋盘位图/布雷(首点安全)/BFS 展开/插旗/胜负判定/逐格绘制
- sw/isr.c:**中断读鼠标的代码**。三个固定地址入口:
  * isr1_entry(.text.isr1=0x100)关卡入口:保存全部调用者保存寄存器 +
    csrrsi 打开 MIE(让鼠标中断可嵌套)→ level_main
  * isr2_entry(.text.isr2=0x200)鼠标读取:只存 ra → 纯 C 主体 isr_body
  * isr3_entry(.text.isr3=0x300)备用:直接 uret
- sw/start.c:设 sp、清 .bss、进 main(只有这一处必要内联汇编)
- sw/linker.ld:复位 0x0、三个中断入口 0x100/0x200/0x300、栈顶 0x0FFC;
  用 ASSERT 禁止 .data/.rodata(这颗核读不到 ROM 里的数据)

## 构建与工具链适配(saolei/tools)

- build.ps1:一键 C → .o → ELF → .hex + cpu21_saolei_rom.vh,任一步失败立刻停止
- check_isa.py:用"指令白名单"逐条检查反汇编,出现本核未实现的指令即报错并给修复提示
- elf2hex.py:裸二进制 → $readmemh hex + ROM 初始化头文件
- 三处针对本核的关键配置(都已写进脚本注释):
  1) -march=rv32im_zicsr(GCC 15 起 rv32im 不含 Zicsr,csrrsi 会报错)
  2) 不能禁链接器松弛:gcc 函数调用默认是 auipc+jalr,靠松弛压成 jal,
     禁掉后 35 条 auipc 会留在代码里(本核没有 auipc);
     用 -msmall-data-limit=0 防止松弛引入 gp 相对寻址
  3) 中断入口地址必须写在段声明上(.text.isr1 0x100 : ...),
     只写 ". = 0x100;" 会被 ld 忽略(实测 isr1 掉到了 0x14)
- 实测结果:text=3368B、data=0、bss=1436B,842 条指令全部通过 ISA 检查,
  入口地址 _start=0x0 / isr1_entry=0x100 / isr2_entry=0x200 / isr3_entry=0x300

## 仓库清理

- 删除被工程取代的 saolei/hw、saolei/constrs(外设已并入 srcs/rtl)
- 删除全部 Vivado 生成物:.xpr、.runs、.sim、.cache、.hw、.ip_user_files、.Xil、
  vivado.jou/log —— 需要工程时用 source create_project.tcl 一键重建(约 0.3 MB 源文件)
- .gitignore 增加 saolei/build/(构建产物可一键重建)

## 文档

- README:更新目录结构、仓库约定(不放生成物)、MMIO 地址表、文件与模块划分表、
  上板说明,新增"扫雷程序(saolei/)"章节
- saolei/README.md:重写 —— 程序结构(背景/关卡/鼠标 + 三个中断入口)、
  本核指令子集与对应写法、构建步骤与实测数据、MMIO 地址表、上板/仿真步骤、
  操作说明、验证状态与已知可改进项

## 验证状态(如实说明)

- 已实测:C 工具链链路(编译/链接/ISA 检查/hex 生成/入口地址逐条核对)
- 未验证:所有 RTL 未经综合与仿真(本机无 Vivado),C 程序也未在仿真器/硬件上运行过;
  建议先跑 tools/run_regress.ps1 确认原回归仍全 PASS,再用 SAOLEI_ROM 宏做行为仿真
2026-09-16 20:11:00 +08:00

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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。
# 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)。
#
# 用法(在仓库根目录执行):
# python tools/rv_asm.py testbench/programs/isa_test.asm <仿真工作目录>/risc-v-benchmark_ccab.hex
# 再用 testbench/tb_no_intr.v 仿真;hex 命名为 risc-v-benchmark_ccab.hex 时会被测试
# 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)。
# print / halt 是 tools/rv_asm.py 提供的双字伪指令(print 会占用 t6):
# print = lui t6,0x1000>>12 + sw a0,0(t6)(写 MMIO 的 LED 寄存器);
# halt = addi a7,zero,10 + ecall(ecall 停机)。
# ---- sltiu:立即数符号扩展后做无符号比较 ----
addi t0, zero, 1
addi t1, zero, -1 # t1 = 0xffffffff
sltiu a0, t0, -1 # 1 <u 0xffffffff -> 00000001
print
sltiu a0, t1, 1 # 0xffffffff <u 1 -> 00000000
print
# ---- xor / sll / srl / sra(原有指令回归)----
addi t0, zero, 0xff
addi t1, zero, -1
xor a0, t0, t1 # 0xff ^ 0xffffffff -> ffffff00
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
mul a0, t0, t1 # 1234*567 = 0x000aad1e
print
# ---- mulh / mulhu / mulhsu:64 位乘积的高 32 位 ----
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
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