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risc-v-cpu/pipelined-cpu/tools/rv_asm.py
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

233 lines
6.4 KiB
Python
Raw Permalink Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters
This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.
#!/usr/bin/env python3
"""极简 RISC-V 汇编器:仅支持本项目测试所需的指令子集。
用法: python tools/rv_asm.py <input.asm> <output.hex>
同时生成 <output.hex>.lst 反汇编/编码清单,便于核对。
支持:add/sub/and/or/xor/sll/srl/sra/slt/sltu、
mul/mulh/mulhsu/mulhu、
addi/slti/sltiu/xori/ori/andi、slli/srli/srai、
lw/sw/sb、beq/bne/blt/bge/bltu/bgeu、lui、jal/jalr、ecall、标签、# 注释
伪指令:print(= lui t6,LED_ADDR>>12 + sw a0,0(t6),向 MMIO 的 LED 寄存器写入 a0)、
halt(= addi a7,zero,10 + ecall),各占两个字。
示例:python tools/rv_asm.py programs/isa_test.asm srcs/rom/isa_test.hex
"""
import re
import sys
REGS = {
"zero": 0,
"ra": 1,
"sp": 2,
"gp": 3,
"tp": 4,
"t0": 5,
"t1": 6,
"t2": 7,
"s0": 8,
"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,
}
def reg(t):
t = t.strip()
if t in REGS:
return REGS[t]
m = re.fullmatch(r"x(\d+)", t)
if m:
return int(m.group(1))
raise SystemExit("未知寄存器: " + t)
def num(t):
return int(t.strip(), 0)
def enc_r(f7, rs2, rs1, f3, rd):
return (f7 << 25) | (rs2 << 20) | (rs1 << 15) | (f3 << 12) | (rd << 7) | 0x33
def enc_i(imm, rs1, f3, rd, op=0x13):
return ((imm & 0xFFF) << 20) | (rs1 << 15) | (f3 << 12) | (rd << 7) | op
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
LED_ADDR = 0x1000
# 双字伪指令:print 向 MMIO 的 LED 写寄存器写入 a0;halt 停机
PSEUDO_SIZE = {"print": 2, "halt": 2}
def assemble(lines):
labels, items, addr = {}, [], 0
for raw in lines:
line = raw.split("#")[0].strip()
if not line:
continue
while True:
m = re.match(r"^([A-Za-z_.$][\w.$]*)\s*:\s*(.*)$", line)
if not m:
break
labels[m.group(1)] = addr
line = m.group(2).strip()
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:
parts = re.split(r"[\s,]+", line)
mn, a = parts[0].lower(), parts[1:]
if mn in RTYPE:
f7, f3 = RTYPE[mn]
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":
# 写 MMIO 的 LED 寄存器:lui t6, LED_ADDR>>12 ; sw a0, 0(t6)
w = [
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():
src, dst = sys.argv[1], sys.argv[2]
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:
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)))
main()