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risc-v-cpu/pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_bpb_8.v
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

118 lines
4.0 KiB
Verilog

`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none
// -----------------------------------------------------------------------------
// 八表项全相联分支目标缓冲(BPB/BTB)。
//
// tag = PC[11:2],与 Logisim 版 BPB 中的十位 tag 拆分保持一致。
// count 为两位饱和计数器:00/01 表示不跳转,10/11 表示跳转。
// age 用于近似 LRU 替换:被选中的表项清零,其余表项自增。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_bpb_8 (
input wire clk,
input wire reset,
input wire [31:0] predict_pc,
input wire predict_enable,
output reg predict_hit,
output reg predict_taken,
output reg [31:0] predict_target,
input wire update_enable,
input wire update_controlflow,
input wire [31:0] update_pc,
input wire [31:0] update_target,
input wire update_taken
);
reg valid [0:7];
reg [ 9:0] tag [0:7];
reg [31:0] target [0:7];
reg [ 1:0] count [0:7];
reg [ 2:0] age [0:7];
reg update_found;
reg [ 2:0] update_index;
reg replace_found;
reg [ 2:0] replace_index;
reg [ 2:0] max_age;
integer p;
integer u;
integer k;
integer selected_index;
// 预测命中查找:按 tag 全相联匹配,命中则给出目标地址与方向预测。
always @* begin
predict_hit = 1'b0;
predict_taken = 1'b0;
predict_target = 32'b0;
for (p = 0; p < 8; p = p + 1) begin
if (predict_enable && !predict_hit && valid[p] && (tag[p] == predict_pc[11:2])) begin
predict_hit = 1'b1;
predict_target = target[p];
predict_taken = count[p][1];
end
end
end
// 更新时先找匹配表项;若无匹配则优先使用无效表项,否则淘汰最旧表项。
// 下方的 age 自增实现了类似 LRU 的替换策略。
always @* begin
update_found = 1'b0;
update_index = 3'd0;
replace_found = 1'b0;
replace_index = 3'd0;
max_age = 3'd0;
for (u = 0; u < 8; u = u + 1) begin
if (!update_found && valid[u] && (tag[u] == update_pc[11:2])) begin
update_found = 1'b1;
update_index = u;
end
end
for (u = 0; u < 8; u = u + 1) begin
if (!replace_found && !valid[u]) begin
replace_found = 1'b1;
replace_index = u;
end else if (!replace_found && (age[u] >= max_age)) begin
replace_index = u;
max_age = age[u];
end
end
end
// 表项状态更新(含替换与两位饱和计数器更新)。
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
for (k = 0; k < 8; k = k + 1) begin
valid[k] <= 1'b0;
tag[k] <= 10'b0;
target[k] <= 32'b0;
count[k] <= 2'b01;
age[k] <= 3'b0;
end
end else if (update_enable && update_controlflow) begin
selected_index = update_found ? update_index : replace_index;
valid[selected_index] <= 1'b1;
tag[selected_index] <= update_pc[11:2];
target[selected_index] <= update_target;
age[selected_index] <= 3'b0;
if (!update_found) begin
// 新表项采用较弱的初始状态,避免立刻产生错误预测。
count[selected_index] <= update_taken ? 2'b10 : 2'b01;
end else if (update_taken) begin
// 实际跳转:计数器加一(饱和到 11)。
if (count[selected_index] != 2'b11) count[selected_index] <= count[selected_index] + 2'b01;
end else begin
// 实际不跳转:计数器减一(饱和到 00)。
if (count[selected_index] != 2'b00) count[selected_index] <= count[selected_index] - 2'b01;
end
for (k = 0; k < 8; k = k + 1) begin
if (valid[k] && (k != selected_index) && (age[k] != 3'b111)) age[k] <= age[k] + 3'b001;
end
end
end
endmodule
`default_nettype wire