risc-v-cpu/saolei

扫雷（RISC-V / cpu21）— 纯 C + MMIO 显示 + 中断读鼠标

给 pipelined-cpu 里那颗 CPU（cpu21_riscv_redirect_int_bpb）写的扫雷。 游戏逻辑和三个中断入口都由纯 C 写成，用 RISC-V 工具链编译成机器码后固化进片内 ROM 运行。

saolei/
├─ sw/
│  ├─ mmio.h        全部 MMIO 地址与格子编码（换外设地址只改这一个文件）
│  ├─ saolei.c      纯 C 扫雷：背景界面(main) + 关卡(level_main) + 棋盘与绘制
│  ├─ isr.c         **中断读鼠标的代码**：三个固定地址入口 + 纯 C 服务主体 isr_body
│  ├─ start.c       C 启动（设 sp、清 .bss、进 main）——只有这一处必需的内联汇编
│  └─ linker.ld     ROM/RAM 布局：复位 0x0、中断入口 0x100/0x200/0x300、栈顶 0x0FFC
└─ tools/
   ├─ build.ps1     一键构建：C → .o → ELF → .hex + cpu21_saolei_rom.vh
   ├─ check_isa.py  逐条反汇编检查：有没有用到这颗核没实现的指令
   └─ elf2hex.py    裸二进制 → $readmemh hex + ROM 初始化头文件

配套硬件在 Vivado 工程里（不在本目录）：srcs/rtl/cpu21_mmio.v（外设中枢）、 cpu21_vga.v（显示）、cpu21_seg7.v（数码管）、cpu21_pointer.v（按键当鼠标）、 cpu21_ps2_mouse.v / cpu21_ps2_kbd.v（可选真鼠标/真键盘）、 srcs/board/cpu21_board_top.v（上板顶层）。

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1. 程序结构：背景"伪操作系统" + 关卡 + 鼠标，正好占三个中断

CPU 复位后从 0x0 开始跑 main()（背景程序，从头到尾一直运行），它画开始界面 并等鼠标。整套交互是这样串起来的：

sequenceDiagram
    participant BG as 背景 main()（0x0 起，一直跑）
    participant LV as 关卡 level_main()（IRQ1 = 0x100）
    participant MS as 鼠标 ISR（IRQ2 = 0x200）
    BG->>BG: 画开始界面（标题 + 绿色"开始"按钮 + 光标框）
    BG->>BG: 点中"开始"按钮 → 写 LEVEL 寄存器 = 1
    Note over BG: 硬件拉起 irq_i[1]，CPU 跳到 0x100
    BG->>LV: isr1_entry：保存现场 + 打开 MIE → level_main()
    LV->>LV: 初始化关卡（布雷、画盘面）
    MS-->>LV: 鼠标事件中断（IRQ2 优先级更高，嵌套进来）
    LV->>LV: 轮询事件队列：移动光标 / 揭开 / 插旗
    LV->>BG: 点左上角黄格 = 返回 → 清 LEVEL + uret
    Note over BG: 回到被打断的那条指令，继续等下一次"开始"

入口	地址	作用	对应 RTL 参数
复位	0x000	_start：设栈、进 main	RESET_PC
IRQ1	0x100	关卡（游戏）程序 level_main()	IRQ1_VECTOR
IRQ2	0x200	鼠标读取 isr_body()	IRQ2_VECTOR
IRQ3	0x300	备用（只 uret）	IRQ3_VECTOR

地址是链接脚本定死的（linker.ld 里 .text.isr1 0x100 : {...}），所以先定地址、 再设 RTL 参数，两边成对；不存在"编完才知道地址"的问题。优先级 IRQ3 > IRQ2 > IRQ1， 所以"关卡跑在 IRQ1、鼠标跑在 IRQ2"天然允许鼠标嵌套打断关卡。

中断硬件行为（见 cpu21_riscv_irq_ctrl.v）：irq_i 上升沿置挂起位；响应时硬件自动清 挂起位、清 ustatus[0]（MIE）、把返回地址压进内部 EPC 栈；返回用 uret；硬件不保存 任何通用寄存器。因此：

• isr1_entry（游戏体量大会调函数）保存全部调用者保存寄存器，并用 csrrsi x0,0x004,1 打开 MIE 让鼠标中断能嵌套；
• isr2_entry 只存 ra，C 主体 isr_body 用 -ffixed-x1,x5..x7,x10..x17,x28..x31 编译，逼 GCC 只用 s0-s11（callee-saved，函数自己会存/恢复）和 sp —— 这样纯 C 主体不会破坏被打断的代码；
• 事件流：鼠标/按键 → RTL 事件 FIFO（深 16）→ 中断 → isr_body 搬进软件环形队列 → 主循环 handle_event() 处理。FIFO 读空后中断线自动回 0，下一个事件重新产生上升沿， 所以不丢事件；主循环只能轮询（这颗核没有 wfi）。

2. 针对这颗 CPU 的硬约束（改 C 代码时别踩）

cpu21_riscv_decoder.v 实现的是 RV32I 的一个子集：

类别	有	没有
R 型	add sub sll slt sltu xor srl sra or and	—
M 扩展	mul mulh mulhsu mulhu divu remu	div / rem（有符号）
I 型	addi slti sltiu xori ori andi slli srli srai	—
访存	lw / sw / sb	lb / lh / lbu / lhu / sh
高位	lui	auipc
控制流	6 条分支 + jal + jalr	—
系统	ecall uret csrrw csrrsi csrrci	mret / sret / fence / ebreak / wfi

对应做法：不按字节读内存（写显存用 sb 可以）、不做有符号除法、索引运算全用 2 的幂 + 移位/掩码、不能有 .data/.rodata（数据空间读不到 ROM，所以没有带初值的 全局变量、没有字符串/常量表）；字模放在 RTL 里，不在软件里。

3. 构建（已实测通过）

工具链：xPack riscv-none-elf-gcc（本机装在 C:\Users\29653\tools\riscv\xpack-riscv-none-elf-gcc-15.2.0-1\bin，已加入用户 PATH）。

cd <仓库>\saolei
powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\build.ps1
# 若没配 PATH：-Prefix 'C:\Users\29653\tools\riscv\xpack-riscv-none-elf-gcc-15.2.0-1\bin\riscv-none-elf-'

步骤	说明
编译	start.c/saolei.c 正常编；isr.c 额外加 -ffixed-x...
链接	-T sw/linker.ld；脚本里的 ASSERT 会拦住 .data/.rodata
反汇编	build/saolei.lst ← 这就是"编译出来的汇编"，可以直接读
ISA 检查	tools/check_isa.py 逐条比对指令白名单，出现 auipc/lb/lbu/div… 直接报错并给修复提示
转格式	build/saolei.hex（$readmemh）+ pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh

当前实测结果：text=3368 B, data=0, bss=1436 B，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。

编译参数里有三处是这颗核/工具链的坑，已经写在脚本注释里：

1. -march=rv32im_zicsr —— GCC 15 起 rv32im 不含 Zicsr，csrrsi 会报 unrecognized opcode ... extension 'zicsr' required；
2. 不要禁链接器松弛（别加 -mno-relax/-Wl,--no-relax）—— gcc 的函数调用默认是 auipc ra,%pcrel_hi + jalr，要靠链接器松弛压成一条 jal；禁掉后 35 条 auipc 会留在代码里（这颗核没有）。用 -msmall-data-limit=0 保证松弛不会引入 gp 相对寻址；
3. 中断入口地址必须写在段声明上（.text.isr1 0x100 : {...} > ROM）—— 只写 . = 0x100; 会被 ld 忽略（实测 isr1 掉到了 0x14）。

4. MMIO 地址表（与 cpu21_mmio.v 的译码一致）

地址	外设
0x0000_1000	LED 数据寄存器（低 16 位点亮板载 LED）
0x0000_1004	七段数码管：8 位十六进制数（低 4 位 = 最右）
0x0000_1100+	鼠标：STATUS / DATA / ACK / CTRL / INPUT / TIME / FRAME / EVCNT / LEVEL / MAGIC
0x0000_1140+	显示控制器：CTRL（光标可见、背景色）/ CURSOR（列、行）/ MAGIC
0x0000_2000-0x2FFF	显存：40 列 × 30 行、每格 2 字节（共 2400 字节）

LEVEL 是软件中断寄存器：写 1 拉起 irq_i[1]（关卡入口），关卡返回前写 0 清掉， 否则下次点"开始"没有新的上升沿。MAGIC（0xCAFE0001/2）可以读来自检 MMIO 是否活着。

格子编码为两个字节：第一个字节低 6 位是字形编号，第二个字节低 3 位是颜色；字形 0 空白、 1..8 数字、9 未揭开、10 旗、11 雷、12 爆炸、13 问号、14 横线、15 实心、16..41 为 A-Z； 颜色是 3 位调色板。

5. 怎么跑起来

仿真（用你现成的测试平台）：

copy build\saolei.hex <仓库>\pipelined-cpu\srcs\rom\saolei.hex
# 把 srcs/tb/tb_no_intr.v 顶部的 ROM_FILE 改成 "saolei.hex"

上板：在 Vivado 里给综合/仿真定义宏 SAOLEI_ROM（Settings → Verilog Macros）， cpu21_board_top.v 就会加载 cpu21_saolei_rom.vh；不定义仍是原来的跑马灯程序。 接 VGA 显示器，按 CPU_RESETN 复位 → 出现开始界面（标题 + 绿色按钮 + 闪动光标框）。

操作（板载 5 向按键一直有效）：

操作	板载按键	PS/2 设备（SW15 选）
移动光标	BTNU / BTND / BTNL / BTNR	键盘 ↑↓←→（按住 = 连续）/ 鼠标移动
左键（揭开；开始界面 = 选难度/开始）	BTNC	键盘 Enter/空格 / 鼠标左键
右键（插旗 / 取消旗）	SW3（或 SW0）拨上 + BTNC	键盘左 Shift/F/C / 鼠标右键
返回上一层（关卡内）	光标移到盘面左上角黄格再按左键	同上

PS/2 键鼠（板载 USB HOST 口，也可把 Pmod PS/2 插在 JA）：顶层参数 USE_PS2_MOUSE 默认为 1，鼠标解码器和键盘解码器都挂在同一根 PS/2 线上，用 SW15 选哪个生效（0 = 键盘，1 = 鼠标）。键盘解的是扫描码集 2（E0 扩展前缀、F0 松开 前缀，只对按下产生事件），映射成与鼠标完全一样的事件格式，所以 C 代码一行不用改。 接收器只做接收（不实现主机发 0xF4 使能上报）：多数键鼠上电即上报。上板时用 LED 诊断看“当前设备收到的字节数”（见根目录 README 的“PS/2 键鼠”一节）。 USB 鼠标在这个核上不现实（协议栈放不下）。

踩过的坑（值得写进报告）：cpu21_ps2_mouse.v 早期把 11 位帧整体右移、又在 停止位还没移进来时就判 frame_q[10]，并且把 PS/2 的奇校验当成偶校验判，结果 真设备发来的帧全部被丢掉 —— 上板表现就是“插上鼠标毫无反应、收到的字节数恒为 0”， 很容易误判成硬件/跳线问题。现在帧按位的下标存（frame_q[i] = 第 i 位）、停止位 单独判（它就在当前拍的 ps2_data 上）、校验按奇校验判，并且 srcs/tb/tb_ps2_mouse.v / tb_ps2_kbd.v 两个自测里都带“故意发错校验 → 必须丢帧” 的用例。

6. 验证状态（说实话）

部分	状态
C 工具链链路	已实测通过：text=4608 B, data=0, bss=2508 B，1152 条指令全部通过 ISA 检查
游戏逻辑（布雷、count_adj、三档难度、draw_tile）	PC 侧独立测试通过（3 难度 × 40 局重算比对 + 端到端显示测试）
仿真显示（tb_saolei / tb_saolei_play + tools/fb2png.py）	通过：整屏 dump 能还原成 PNG，hard 盘面（30×16）整屏都能画出来
cpu21_mmio.v / cpu21_vga.v / cpu21_seg7.v / cpu21_pointer.v / 板级顶层 / XDC	xvlog 编译通过；已综合、已上板
上板实测	VGA 画面、开始界面、三档难度、开格/插旗、板载按键均已实测可用
PS/2 键鼠	接收器逻辑有自测（tb_ps2_mouse / tb_ps2_kbd）；板载 USB HOST 口待复测

建议验证顺序：① 跑 pipelined-cpu/tools/run_regress.ps1 确认跑马灯/中断/指令测试仍全 PASS；② 定义 SAOLEI_ROM 跑行为仿真（tb_saolei 会自动打完一局并 dump 显存）； ③ 上板看 VGA；④ 接键鼠时先用 srcs/tb/tb_ps2_* 确认解码无误，再看 LED 诊断确认板载 桥接芯片到底有没有转发你插的那个设备。

7. 已知可改进项

• 难度：已按微软扫雷做成三档 —— EASY 9×9/10 雷、NORMAL 16×16/40 雷、 HARD 30×16/99 雷。盘面尺寸是运行期变量（g_bw/g_bh/g_mines/g_ncells）， 开始界面上点那一行就即时切换、重新画盘面；所有索引走 IDX_R/IDX_C 宏。 再想更大就要动 bfs_q 的打包方式（数据 RAM 只有 4 KB）。
• 输入：板载 5 向按键、PS/2 鼠标、PS/2 键盘三种事件源在顶层合并成同一种格式 （±8 = 一格），键鼠用 SW15 切换（见上文“操作”）。
• 文字显示：显存每格 2 字节（字形[5:0] + 颜色[2:0]），RTL 内置 A-Z 和数字/游戏 符号字模，开始界面显示 MINES、EASY、NORMAL、HARD、START。注意字符颜色 不能取黑色（黑字画在黑背景上等于看不见）。
• 回归覆盖：run_regress.ps1 里还没有扫雷的自动测试项（PS/2 接收器有单独的 tb_ps2_mouse / tb_ps2_kbd）；也还没有“自动玩一局 + 显存 dump + PNG 比对”的 一键回归。