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

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

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

验证：不带宏 / 带 RISC_V_INTRUPT_CCAB_ROM 两种配置 xvlog 编译均无错误；
三路嵌套与 IRQ3 抢占 ISR1 的仿真通过（level 逐级升降、uepc 正确恢复、
halted=0）；tools/check_rtl_text.ps1 体检 OK。
2026-09-19 15:44:47 +08:00

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# =============================================================================
# 注意：上板/仿真真正使用的镜像是 programs/risc-v-intrupt-ccab.hex（270 字），
# 本文件是课程原始清单。由 tools/adapt_intrupt_ccab.py 生成 ROM 时会做六处适配：
# 1) 三个 ISR 里的 "addi a7,zero,10 + ecall" 会让这颗 CPU 停机（a7 != 34 的
# ecall 是"停机等 go_i"的约定），中断服务程序跑到那里就卡住、后面的中断显示
# 循环永远不执行 -> ROM 里换成两条空操作；
# 2) 原来的 "addi a7,zero,34 + ecall" 显示改成写 MMIO 的 LED 寄存器（0x1000），
# 并且每个显示点都改为调用 DISP_DLY 加约 10 ms 延时 —— 否则 50 MHz 下刷新
# 太快，数码管的动态扫描根本分辨不出来，只会看到一片亮；
# 3) DISP_DLY 追加在程序末尾（0x438），因此所有指令地址、特别是三个中断入口
# 0x0AC / 0x1E4 / 0x308 都保持不变；
# 4) **hex 里 ISR2 / ISR3 的现场恢复（出栈）顺序被写乱了**（本清单是正确的，
# ISR1 的 hex 也是正确的）。ISR3 把 s1 从 s3 的槽位弹出，于是 s1 被写成
# s3 保存的 0xFFFFF111；ISR3 返回后，正在跑 BLT 测试的 ISR2 的循环计数 s1
# 就变成 -3823，循环要跑约 170 万周期才退出，表现就是"二级/三级中断返回
# 之后卡住"；ISR2 的 s0/s2/a0/a7/s1/t3/t1 也全部错位。适配脚本按本清单的
# 正确 LIFO 顺序改回 12 条 lw 的目标寄存器（字数不变、地址不动）。
# 5) **ISR3 的 SB 测试用了它自己没有保存的寄存器**（t1 当地址、t3 当计数、
# s2 当增量）。ISR3 的现场只保存了 s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6/uepc，所以：
# 若 IRQ3 直接抢占正在跑 DIVU 测试的 ISR1（ISR1 用 t3 递减计数），ISR1 的
# 计数会被改掉；ISR1 恢复后 `addi t3,t3,-1` 得到负数，`bne t3,zero` 永远
# 成立，DIVU 循环再也回不来 —— 表现就是“拨了 SW0 再拨 SW2 之后卡住”；
# 主程序的跑马灯步长 t1 也会被改掉。适配脚本把这 14 处寄存器域改成 ISR3
# 自己保存的 s4/s5/s6（SB 测试结束后紧接着的 IntLoop3 会重新给它们赋值，
# 所以这样换是安全的），字数与地址不变。
# 6) **ISR 不能破坏被打断代码的 ra**：三个 ISR 都保存 s1/a7/a0/s0/s3/s4/s5/s6，
# 但都没有保存 ra，而它们要调用显示例程，"jal ra,DISP_DLY" 会把 ra 写成 ISR
# 内部的返回地址。如果中断恰好落在被打断代码依赖 ra 的位置（典型就是主程序
# 正停在 DISP_DLY 末尾的 jalr zero,0(ra) 那一条上），中断返回后就会跳进 ISR
# 代码里，一路执行到 ISR 结尾的 csrrci zero,0x4,1，把 MIE 永久清零：表现
# 就是“跑一阵子之后拨开关再也不响应，只能复位”。窗口只有 1~2 拍，平时很
# 难遇到（仿真里把延时改到极小才会碰上）。适配脚本给 ISR 另加一份显示例程
# DISP_DLY_ISR（0x458），链接寄存器改用 a0、显示值走 a7（这两个寄存器三个
# ISR 都保存/恢复），于是 ISR 完全不碰 ra；ISR 的显示点由 "jal ra,DISP_DLY +
# nop" 换成 "add a7,a0,zero + jal a0,DISP_DLY_ISR"，仍是 2 字换 2 字，
# 字数与地址不变。
# =============================================================================
.text
addi sp, zero, 2000 #内存堆栈初始化
#############################################################
#走马灯测?,测试addi,andi,slli,srli,srai,or,ori,nor,ecall LED按走马灯方式来回显示数据
#############################################################
.text
START:
addi s0,zero,1
slli s3, s0, 31 # s3=0x80000000
srai s3, s3, 31 # s3=0xFFFFFFFF
add s0,zero,zero # s0=0
addi s2,zero,12
addi s6,zero,8 #走马灯计数
zmd_loop:
addi s0, s0, 1 #计算下一个走马灯的数
andi s0, s0, 15
#######################################
addi t0,zero,8
addi t1,zero,1
left:
slli s3, s3, 4 #走马灯左移
or s3, s3, s0
add a0,zero,s3 # display s3
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
sub t0,t0,t1
bne t0,zero,left
#######################################
addi s0, s0, 1 #计算下一个走马灯的数
addi t6,zero,15
and s0, s0, t6
slli s0, s0, 28
addi t0,zero,8
addi t1,zero,1
zmd_right:
srli s3, s3, 4 #走马灯右移
or s3, s3, s0
add a0,zero,s3 # display s3
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
sub t0,t0,t1
bne t0,zero,zmd_right
srli s0, s0, 28
#######################################
sub s6,s6,t1
beq s6,zero, exit
j zmd_loop
exit:
add t0,zero,zero
xori t0,t0,-1 #test nor ori
slli t0,t0,16
ori t0,t0,-1
add a0,zero,t0 # display t0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
j START # loop forever
#InteruptProgram1:
#############################################################################################
# exceptoin 1
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram1:
sw t0, 0(sp) #保护t0现场
addi sp, sp, 4
sw t3, 0(sp) #保护t3现场
addi sp, sp, 4
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# DIVU测试
addi t0,zero,2 # /2
addi s1,zero, 0x11
slli s1,s1,8
addi s1,s1,0x11
slli s1,s1,16
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi t3,zero,28 #ѭ������
divu_branch:
divu s1,s1,t0 #����ָ��
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi t3,t3, -1
bne t3,zero,divu_branch #ѭ��
nop # 原为 addi a7,zero,10 + ecall：这颗 CPU 会停机，改成空操作
################# 中断服务
addi s6,zero,1 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop1:
add s0,zero,s6
IntLeftShift1:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
bne s0, zero, IntLeftShift1
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop1
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
addi sp, sp, -4
lw t3, 0(sp) #恢复t3现场
addi sp, sp, -4
lw t0, 0(sp) #恢复t0现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
#InteruptProgram2:
#############################################################################################
# exceptoin 2
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram2:
sw t1, 0(sp) #保护t1现场
addi sp, sp, 4
sw t3, 0(sp) #保护t3现场
addi sp, sp, 4
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw s2, 0(sp) #保护s2现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# BLT测试
addi s1,zero,-15 #初始值
blt_branch:
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi s1,s1,1
blt s1,zero,blt_branch #当前指令
nop # 原为 addi a7,zero,10 + ecall：这颗 CPU 会停机，改成空操作
################# 中断服务
addi s6,zero,2 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop2:
add s0,zero,s6
IntLeftShift2:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
bne s0, zero, IntLeftShift2
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop2
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp) #恢复s0现场
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s2, 0(sp) #恢复s2现场
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
addi sp, sp, -4
lw t3, 0(sp) #恢复t3现场
addi sp, sp, -4
lw t1, 0(sp) #恢复t1现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
#InteruptProgram3:
#############################################################################################
# exceptoin 3
# 使用?s6? s5?s4?s3?s0?a0?a7
#############################################################################################
################# 保护现场
InteruptProgram3:
sw s1, 0(sp) #保护s1现场
addi sp, sp, 4
sw a7, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw a0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s0, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s3, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s4, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s5, 0(sp)
addi sp, sp, 4
sw s6, 0(sp)
addi sp, sp, 4
csrrsi s6,0x41,0 #s6=uepc
sw s6, 0(sp) #uepc压栈保护
addi sp, sp, 4
################# 开中断
csrrsi zero,0x4,1 #ustatus.MIE=1
################# SB测试
# 注：ROM 镜像里下面这段的 t1/t3/s2 已改成 ISR3 自己保存的 s4/s5/s6
# （t1 当地址 -> s4，t3 当计数 -> s5，s2 当增量 -> s6），避免抢占 ISR1
# 时破坏 ISR1 的 DIVU 循环计数，详见文件头部第 5 项。
addi t1,zero,0 #init_addr
addi t3,zero,32 #counter
#sb写入 01,02,03,04
addi s1,zero, 0x00 #
addi s2,zero, 0x01 #
sb_store:
sb s1,(t1)
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
add s1,s1,s2 #data +1
addi t1,t1,1 # addr ++
addi t3,t3,-1 #counter
bne t3,zero,sb_store
addi t3,zero,8
addi t1,zero,0 # addr
sb_branch:
lw s1,(t1) #读出数据
add a0,zero,s1
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
addi t1,t1,4
addi t3,t3, -1
bne t3,zero,sb_branch
nop # 原为 addi a7,zero,10 + ecall：这颗 CPU 会停机，改成空操作
################# 中断服务
addi s6,zero,3 #中断?1,2,3 不同中断号显示值不一样
addi s4,zero,3 #循环次数初始值
addi s5,zero,1 #计数器累加值
IntLoop3:
add s0,zero,s6
IntLeftShift3:
slli s0, s0, 4
or s3,s0,s4
add a0,zero,s3 #display s0
jal ra, DISP_DLY # 显示 a0（写 LED 寄存器 0x1000）并延时约 10 ms
nop # 占位：保持每个显示点仍是 2 个字，指令地址不变
bne s0, zero, IntLeftShift3
sub s4,s4,s5 #循环次数递减
bne s4, zero, IntLoop3
################# 关中断
csrrci zero,0x4,1 #ustatus.MIE=0
################# 恢复现场
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
csrrw zero,0x41,s6 #uepc=s6
addi sp, sp, -4
lw s6, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s5, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s4, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s3, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a0, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw a7, 0(sp)
addi sp, sp, -4
lw s1, 0(sp) #恢复s1现场
################ 中断返回
uret #同步开中断，uepc-->pc
# -----------------------------------------------------------------------------
# DISP_DLY —— 显示 + 延时（对应 ROM 末尾 0x438 起的 8 条指令；11 个显示点都用
# "jal ra, DISP_DLY" 调用它）
#
# sw ra, 256(sp) # 保存返回地址（故意存在 sp+256，见下面的说明）
# lui a7, 1 # a7 = 0x1000 = LED_ADDR
# sw a0, 0(a7) # 把 a0 写进 LED 寄存器（数码管显示它的 8 位十六进制）
# lui t2, 0xFFFC0 # 计数初值为负（-262144），向上数到 0 ≈ 10 ms @50 MHz
# 1:addi t2, t2, 1
# blt t2, zero, 1b
# lw ra, 256(sp)
# jalr zero, ra, 0
#
# 为什么返回地址存在 sp+256，而不是按常规压在 sp-8 的栈帧里：
# 本程序的 ISR 用的是"先把 sp 加上去、再往里存"的向上增长栈，一层最多 48 字节，
# 最多嵌套 4 层（IRQ_STACK_DEPTH=4）共 192 字节 —— 也就是说 [sp, sp+192) 是中断
# 随时可能写到的区域。而显示调用既可能被中断打断，也可能从 ISR 内部发出，所以：
# * 若压在 sp-8（常规做法），从 ISR 里调用时会正好盖掉 ISR 存好的 s6 / uepc；
# uepc 一坏，uret 就返回到 ISR 内部地址，最后执行到 ISR 尾部的 csrrci 把 MIE
# 永久清零，之后再也不响应中断（实测就是这个现象）；
# * 放在 sp+256 越过了中断可能压栈的 192 字节区域，嵌套中断打断延时也不会破坏
# 它；每次调用各用自己的 sp+256，嵌套调用互不影响。
#
# 延时计数用"负数向上数到 0"而不是"递减到 0"：万一 t2 被嵌套调用改掉，循环只会
# 在 t2 >= 0 时立即退出，不会像递减写法那样回绕成 40 亿次而死等。
# -----------------------------------------------------------------------------
DISP_DLY:
sw ra, 256(sp)
lui a7, 1
sw a0, 0(a7)
lui t2, 0xFFFC0
DISP_DLY_WAIT:
addi t2, t2, 1
blt t2, zero, DISP_DLY_WAIT
lw ra, 256(sp)
jalr zero, ra, 0
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