一、修 PS/2 接收器的真 bug —— 这就是上板“鼠标毫无反应”的根因
鼠标和键盘两个接收模块原来是同一个写法错误:
* 帧用整体右移 {data, frame_q[10:1]},判 frame_q[10] 时停止位还没移进来,判到的
其实是校验位;取数据 frame_q[8:1] 也因此整体错一位
* 校验位按“偶校验”判,而 PS/2 是“奇校验”
两者叠加让真设备发来的帧 100% 被丢掉(上板表现为 rx_count 恒为 0,看起来像硬件
或跳线问题)。现在按“位的下标”存帧(frame_q[i] = 第 i 位,所以字节 = frame_q[8:1]、
校验 = frame_q[9]),停止位直接在当前拍的 ps2_data 上判,校验按奇校验。
二、新增 PS/2 键盘解码 cpu21_ps2_kbd.v
扫描码集 2:E0 = 扩展前缀、F0 = 松开前缀,只对“按下”产生事件,并映射成与鼠标
完全相同的事件格式(↑↓←→ = dy/dx ±8,正好一格;Enter/空格 = 左键;左 Shift/F/C
= 右键 = 插旗),所以 saolei 的 C 代码一行都不用改;按住方向键 = 连续移动(用的是
键盘自己的重复码)。
三、顶层 cpu21_board_top:用 SW15 选设备
同一根 PS/2 线上只会插一个设备,但两个解码器都在听:键盘的扫描码会凑巧组成
“合法的鼠标包”,两路同时生效会让光标乱跳。因此新增端口 hid_sel(SW15):
0 = 键盘(默认),1 = 鼠标;诊断 LED 改显示“当前选中设备”收到的字节数。
四、其它
* XDC:hid_sel -> V10(SW15),引脚号在官方母版里核对过
* tb_board_top 补 hid_sel 端口,避免悬空
* 新增自测 srcs/tb/tb_ps2_mouse.v / tb_ps2_kbd.v:含“故意发一个校验位错的帧,
必须丢帧”的用例,两个都 ALL PASS
* README / saolei/README:新增“PS/2 键鼠”一节(接线方式、SW15、LED 诊断口诀、
键位表),修正显存格式(每格 2 字节、0x2000-0x2FFF)、扫雷难度与验证状态、
修好 riscv 工具链 -Prefix 路径
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# 扫雷(RISC-V / cpu21)— 纯 C + MMIO 显示 + 中断读鼠标
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给 `pipelined-cpu` 里那颗 CPU(`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`)写的扫雷。
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**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。
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```
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saolei/
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├─ sw/
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│ ├─ mmio.h 全部 MMIO 地址与格子编码(换外设地址只改这一个文件)
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│ ├─ saolei.c 纯 C 扫雷:背景界面(main) + 关卡(level_main) + 棋盘与绘制
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│ ├─ 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
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│ ├─ start.c C 启动(设 sp、清 .bss、进 main)——只有这一处必需的内联汇编
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│ └─ linker.ld ROM/RAM 布局:复位 0x0、中断入口 0x100/0x200/0x300、栈顶 0x0FFC
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└─ tools/
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├─ build.ps1 一键构建:C → .o → ELF → .hex + cpu21_saolei_rom.vh
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├─ check_isa.py 逐条反汇编检查:有没有用到这颗核没实现的指令
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└─ elf2hex.py 裸二进制 → $readmemh hex + ROM 初始化头文件
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```
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配套硬件在 Vivado 工程里(不在本目录):`srcs/rtl/cpu21_mmio.v`(外设中枢)、
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`cpu21_vga.v`(显示)、`cpu21_seg7.v`(数码管)、`cpu21_pointer.v`(按键当鼠标)、
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`cpu21_ps2_mouse.v` / `cpu21_ps2_kbd.v`(可选真鼠标/真键盘)、
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`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
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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
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并等鼠标。整套交互是这样串起来的:
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```mermaid
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sequenceDiagram
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participant BG as 背景 main()(0x0 起,一直跑)
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participant LV as 关卡 level_main()(IRQ1 = 0x100)
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participant MS as 鼠标 ISR(IRQ2 = 0x200)
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BG->>BG: 画开始界面(标题 + 绿色"开始"按钮 + 光标框)
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BG->>BG: 点中"开始"按钮 → 写 LEVEL 寄存器 = 1
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Note over BG: 硬件拉起 irq_i[1],CPU 跳到 0x100
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BG->>LV: isr1_entry:保存现场 + 打开 MIE → level_main()
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LV->>LV: 初始化关卡(布雷、画盘面)
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MS-->>LV: 鼠标事件中断(IRQ2 优先级更高,嵌套进来)
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LV->>LV: 轮询事件队列:移动光标 / 揭开 / 插旗
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LV->>BG: 点左上角黄格 = 返回 → 清 LEVEL + uret
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Note over BG: 回到被打断的那条指令,继续等下一次"开始"
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```
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| 入口 | 地址 | 作用 | 对应 RTL 参数 |
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| ---- | ------- | ----------------------------------- | ------------- |
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| 复位 | `0x000` | `_start`:设栈、进 `main` | `RESET_PC` |
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| IRQ1 | `0x100` | **关卡(游戏)程序** `level_main()` | `IRQ1_VECTOR` |
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| IRQ2 | `0x200` | **鼠标读取** `isr_body()` | `IRQ2_VECTOR` |
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| IRQ3 | `0x300` | 备用(只 `uret`) | `IRQ3_VECTOR` |
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**地址是链接脚本定死的**(`linker.ld` 里 `.text.isr1 0x100 : {...}`),所以先定地址、
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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,
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所以"关卡跑在 IRQ1、鼠标跑在 IRQ2"天然允许鼠标嵌套打断关卡。
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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
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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
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任何通用寄存器**。因此:
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- `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
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`csrrsi x0,0x004,1` 打开 MIE 让鼠标中断能嵌套;
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- `isr2_entry` 只存 `ra`,C 主体 `isr_body` 用 `-ffixed-x1,x5..x7,x10..x17,x28..x31`
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编译,逼 GCC 只用 `s0-s11`(callee-saved,函数自己会存/恢复)和 `sp` —— 这样纯 C
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主体不会破坏被打断的代码;
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- 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 →
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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,
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所以不丢事件;主循环只能轮询(这颗核没有 `wfi`)。
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## 2. 针对这颗 CPU 的硬约束(改 C 代码时别踩)
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`cpu21_riscv_decoder.v` 实现的是 RV32I 的一个子集:
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| 类别 | 有 | **没有** |
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| ------ | -------------------------------------------- | ---------------------------------- |
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| R 型 | add sub sll slt sltu xor srl sra or and | — |
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| M 扩展 | mul mulh mulhsu mulhu **divu remu** | **div / rem(有符号)** |
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| I 型 | addi slti sltiu xori ori andi slli srli srai | — |
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| 访存 | **lw / sw / sb** | **lb / lh / lbu / lhu / sh** |
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| 高位 | lui | **auipc** |
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| 控制流 | 6 条分支 + jal + jalr | — |
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| 系统 | ecall uret csrrw csrrsi csrrci | mret / sret / fence / ebreak / wfi |
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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
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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
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全局变量、没有字符串/常量表);字模放在 RTL 里,不在软件里。
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## 3. 构建(已实测通过)
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工具链:xPack `riscv-none-elf-gcc`(本机装在
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`C:\Users\29653\tools\riscv\xpack-riscv-none-elf-gcc-15.2.0-1\bin`,已加入用户 PATH)。
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```powershell
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cd <仓库>\saolei
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powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\build.ps1
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# 若没配 PATH:-Prefix 'C:\Users\29653\tools\riscv\xpack-riscv-none-elf-gcc-15.2.0-1\bin\riscv-none-elf-'
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```
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| 步骤 | 说明 |
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| ------------ | -------------------------------------------------------------------------------------------- |
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| 编译 | `start.c`/`saolei.c` 正常编;`isr.c` 额外加 `-ffixed-x...` |
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| 链接 | `-T sw/linker.ld`;脚本里的 `ASSERT` 会拦住 `.data`/`.rodata` |
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| **反汇编** | `build/saolei.lst` ← 这就是"编译出来的汇编",可以直接读 |
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| **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 |
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| 转格式 | `build/saolei.hex`(`$readmemh`)+ `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh` |
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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**,
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入口地址 `_start=0x0`、`isr1_entry=0x100`、`isr2_entry=0x200`、`isr3_entry=0x300`。
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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:
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1. `-march=rv32im_zicsr` —— GCC 15 起 `rv32im` 不含 Zicsr,`csrrsi` 会报
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`unrecognized opcode ... extension 'zicsr' required`;
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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
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`auipc ra,%pcrel_hi` + `jalr`,要靠链接器松弛压成一条 `jal`;禁掉后 35 条 `auipc`
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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;
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3. 中断入口地址必须写在**段声明**上(`.text.isr1 0x100 : {...} > ROM`)——
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只写 `. = 0x100;` 会被 `ld` 忽略(实测 isr1 掉到了 0x14)。
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## 4. MMIO 地址表(与 `cpu21_mmio.v` 的译码一致)
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| 地址 | 外设 |
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| -------------------- | ------------------------------------------------------------------------------- |
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| `0x0000_1000` | LED 数据寄存器(低 16 位点亮板载 LED) |
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| `0x0000_1004` | 七段数码管:8 位十六进制数(低 4 位 = 最右) |
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| `0x0000_1100+` | 鼠标:STATUS / DATA / ACK / CTRL / INPUT / TIME / FRAME / EVCNT / LEVEL / MAGIC |
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| `0x0000_1140+` | 显示控制器:CTRL(光标可见、背景色)/ CURSOR(列、行)/ MAGIC |
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| `0x0000_2000-0x2FFF` | 显存:40 列 × 30 行、每格 2 字节(共 2400 字节) |
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`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,
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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。
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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、
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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;
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颜色是 3 位调色板。
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## 5. 怎么跑起来
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**仿真**(用你现成的测试平台):
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```powershell
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copy build\saolei.hex <仓库>\pipelined-cpu\srcs\rom\saolei.hex
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# 把 srcs/tb/tb_no_intr.v 顶部的 ROM_FILE 改成 "saolei.hex"
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```
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**上板**:在 Vivado 里给综合/仿真**定义宏 `SAOLEI_ROM`**(Settings → Verilog Macros),
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`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。
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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)。
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**操作**(板载 5 向按键一直有效):
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| 操作 | 板载按键 | PS/2 设备(SW15 选) |
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| ------------------------------------ | ------------------------------------- | ------------------------------------- |
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| 移动光标 | `BTNU` / `BTND` / `BTNL` / `BTNR` | 键盘 `↑↓←→`(按住 = 连续)/ 鼠标移动 |
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| 左键(揭开;开始界面 = 选难度/开始) | `BTNC` | 键盘 `Enter`/空格 / 鼠标左键 |
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| 右键(插旗 / 取消旗) | `SW3`(或 `SW0`)拨上 + `BTNC` | 键盘左 `Shift`/`F`/`C` / 鼠标右键 |
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| 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 |
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**PS/2 键鼠**(板载 USB HOST 口,也可把 Pmod PS/2 插在 JA):顶层参数
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`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
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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
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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。
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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
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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)。
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USB 鼠标在这个核上不现实(协议栈放不下)。
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**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
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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
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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”,
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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
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单独判(它就在当前拍的 `ps2_data` 上)、校验按奇校验判,并且
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`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”
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的用例。
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## 6. 验证状态(说实话)
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| 部分 | 状态 |
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| ------------------------------------------------------------------------------------ | -------------------------------------------------------------------------------- |
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| 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** |
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| 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) |
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| 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 |
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| `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 |
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| 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 |
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| 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 |
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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
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PASS;② 定义 `SAOLEI_ROM` 跑行为仿真(`tb_saolei` 会自动打完一局并 dump 显存);
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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
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桥接芯片到底有没有转发你插的那个设备。
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## 7. 已知可改进项
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- **难度**:已按微软扫雷做成三档 —— `EASY` 9×9/10 雷、`NORMAL` 16×16/40 雷、
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`HARD` 30×16/99 雷。盘面尺寸是**运行期变量**(`g_bw/g_bh/g_mines/g_ncells`),
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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。
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再想更大就要动 `bfs_q` 的打包方式(数据 RAM 只有 4 KB)。
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- **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
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(±8 = 一格),键鼠用 SW15 切换(见上文“操作”)。
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- **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
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符号字模,开始界面显示 `MINES`、`EASY`、`NORMAL`、`HARD`、`START`。注意**字符颜色
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不能取黑色**(黑字画在黑背景上等于看不见)。
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- 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
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`tb_ps2_mouse` / `tb_ps2_kbd`);也还没有“自动玩一局 + 显存 dump + PNG 比对”的
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一键回归。
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