risc-v-cpu/cpu21_board_top.v

`timescale 1ns / 1ps
`default_nettype none

// -----------------------------------------------------------------------------
// 上板顶层（Nexys4DDR，xc7a100tcsg324-1）
//
// 处理器顶层 cpu21_riscv_redirect_int_bpb 暴露了 775 位调试端口（各级 PC/IR、
// 计数器、BPB/中断观测等），直接作为实现顶层会因 I/O 超限而无法布局布线
// （[Place 30-415] IO Placement failed due to overutilization）。本模块只把
// 开发板真正需要的外设引出来，其余调试端口不连接，因此不占用引脚：
//
//   clk100 (E3)       -> CPU 时钟（100 MHz）
//   rst_n  (C12)      -> 复位按键 CPU_RESETN，低有效，经复位同步器
//   go     (N17)      -> 按键 BTNC：ecall 停机后按下继续运行
//   irq_sw[2:0]       -> 拨码开关 SW[2:0]：3 路中断源
//   led[15:0]         -> 板载 LED[15:0]：显示 MMIO（LED_ADDR）写入值的低 16 位
//   led_we  (R12)     -> LED16_B：有 MMIO 写入时亮，并拉长约 0.17 s 便于观察
//
// 片内存储器：
//   ROM：ROM_WORDS 字，组合读，内容由 `include "cpu21_board_rom.vh"` 给出
//        （该文件由 tools/hex2vh.py 从 testbench/programs/*.hex 生成）；
//   RAM：RAM_WORDS 字，字节写使能 + 组合读；只响应地址 < 2^(RAM_AW+2)，
//        因此 MMIO 地址不会落进 RAM（避免与 LED_ADDR 别名）。
//
// 注意：ROM_WORDS / RAM_WORDS 需为 2 的幂（默认 1024，对应地址位 [11:2]）。
// -----------------------------------------------------------------------------
module cpu21_board_top #(
    parameter [31:0] LED_ADDR = 32'h0000_1000,
    parameter        ROM_WORDS = 1024,
    parameter        RAM_WORDS = 1024,
    parameter [31:0] USTATUS_INIT = 32'h0000_0001,
    // 板载 100 MHz 分频给 CPU。ALU 里的除法/取余是组合电路（实测约 94 ns），
    // 100 MHz 下无法收敛；默认 16 分频（6.25 MHz，周期 160 ns）留出足够余量。
    parameter integer CLK_DIV = 16
) (
    input  wire        clk100,   // E3
    input  wire        rst_n,    // C12：CPU_RESETN，低有效
    input  wire        go,       // N17：BTNC
    input  wire [ 2:0] irq_sw,   // SW[2:0]
    output wire [15:0] led,      // LED[15:0]
    output wire        led_we    // LED16_B：MMIO 写入指示
);
  localparam ROM_AW = $clog2(ROM_WORDS);
  localparam RAM_AW = $clog2(RAM_WORDS);

  wire arst = ~rst_n;  // 异步复位（高有效）

  // ---------------------------------------------------------------------------
  // 时钟分频：100 MHz / CLK_DIV，经 BUFG 走全局时钟网络
  // （XDC 中用 create_generated_clock 声明该分频时钟，否则时序分析会按
  //   100 MHz 的 10 ns 要求去约束 CPU 内部路径而报大量违例）
  // ---------------------------------------------------------------------------
  reg [15:0] clk_cnt;
  reg        clk_div;

  always @(posedge clk100 or posedge arst) begin
    if (arst) begin
      clk_cnt <= 16'd0;
      clk_div <= 1'b0;
    end else if (clk_cnt == (CLK_DIV / 2 - 1)) begin
      clk_cnt <= 16'd0;
      clk_div <= ~clk_div;
    end else begin
      clk_cnt <= clk_cnt + 16'd1;
    end
  end

  // 不直接例化 BUFG 原语，保持 RTL 可跨工具仿真；
  // 综合/实现时 Vivado 会为这条时钟网络自动插入 BUFG（全局时钟缓冲）。
  wire clk_cpu = clk_div;

  // ---------------------------------------------------------------------------
  // 复位同步器（在 CPU 时钟域）：按键异步置位、释放与 clk_cpu 同步
  // ---------------------------------------------------------------------------
  reg [2:0] rst_sync_q;

  always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
    if (arst) rst_sync_q <= 3'b111;
    else rst_sync_q <= {rst_sync_q[1:0], 1'b0};
  end

  wire reset = rst_sync_q[2];

  // CPU 接口连线（先声明：后面的 ROM/RAM 逻辑与例化都要用到）
  wire [31:0] instr_addr;
  wire [31:0] data_addr;
  wire [31:0] data_wdata;
  wire [ 3:0] data_wstrb;
  wire        data_we;
  wire [31:0] led_data;
  wire        led_valid;

  // ---------------------------------------------------------------------------
  // 指令 ROM：组合读
  // ---------------------------------------------------------------------------
  reg [31:0] rom[0:ROM_WORDS-1];
  integer i;

  initial begin
    for (i = 0; i < ROM_WORDS; i = i + 1) rom[i] = 32'h0000_0013;  // NOP 填充
`ifdef BOARD_ROM_FAST
    // 仿真专用：把演示程序的延时改小的版本（综合流程不会用到）
    `include "cpu21_board_rom_fast.vh"
`else
    `include "cpu21_board_rom.vh"
`endif
  end

  // ---------------------------------------------------------------------------
  // 数据 RAM：字节写使能 + 组合读
  // ---------------------------------------------------------------------------
  reg [31:0] ram[0:RAM_WORDS-1];
  integer j;

  initial begin
    for (j = 0; j < RAM_WORDS; j = j + 1) ram[j] = 32'b0;
  end

  wire [ROM_AW+1:2] rom_index = instr_addr[ROM_AW+1:2];
  wire [RAM_AW+1:2] ram_index = data_addr[RAM_AW+1:2];
  wire ram_sel = (data_addr[31:RAM_AW+2] == 0);

  wire [31:0] instr_word = rom[rom_index];
  wire [31:0] data_rdata = ram_sel ? ram[ram_index] : 32'b0;

  always @(posedge clk_cpu) begin
    if (ram_sel && data_we) begin
      if (data_wstrb[0]) ram[ram_index][7:0] <= data_wdata[7:0];
      if (data_wstrb[1]) ram[ram_index][15:8] <= data_wdata[15:8];
      if (data_wstrb[2]) ram[ram_index][23:16] <= data_wdata[23:16];
      if (data_wstrb[3]) ram[ram_index][31:24] <= data_wdata[31:24];
    end
  end

  // ---------------------------------------------------------------------------
  // 处理器：只连接上板需要的端口，调试端口留空（不产生 I/O）
  // ---------------------------------------------------------------------------
  cpu21_riscv_redirect_int_bpb #(
      .LED_ADDR    (LED_ADDR),
      .USTATUS_INIT(USTATUS_INIT)
  ) u_cpu (
      .clk         (clk_cpu),
      .reset       (reset),
      .instr_i     (instr_word),
      .data_rdata_i(data_rdata),
      .irq_i       (irq_sw),
      .go_i        (go),

      .instr_addr_o(instr_addr),
      .data_addr_o (data_addr),
      .data_wdata_o(data_wdata),
      .data_wstrb_o(data_wstrb),
      .data_we_o   (data_we),

      .led_data_o  (led_data),
      .led_valid_o (led_valid)
  );

  // ---------------------------------------------------------------------------
  // 板载 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位；写入指示拉长便于观察
  // ---------------------------------------------------------------------------
  assign led = led_data[15:0];

  reg [23:0] led_we_cnt;

  always @(posedge clk_cpu or posedge arst) begin
    if (arst) led_we_cnt <= 24'd0;
    else if (led_valid) led_we_cnt <= 24'hFF_FFFF;  // 约 2.7 s @6.25 MHz（分频后的 CPU 时钟）
    else if (led_we_cnt != 24'd0) led_we_cnt <= led_we_cnt - 24'd1;
  end

  assign led_we = (led_we_cnt != 24'd0);
endmodule

`default_nettype wire