Alpha
f50639e90f
## 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
185 lines
12 KiB
Markdown
185 lines
12 KiB
Markdown
# 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`（可选真鼠标）、`srcs/board/cpu21_board_top.v`（上板顶层）。
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 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：
|
||
|
||
```mermaid
|
||
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）。
|
||
|
||
```powershell
|
||
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_2000-0x27FF` | 显存：40 列 × 30 行、每格 1 字节（只用到前 1200 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 1 字节 = `[3:0] 字形 [6:4] 颜色 [7] 保留`；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；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）：
|
||
|
||
```powershell
|
||
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**（默认用板上 5 向按键）：
|
||
|
||
| 操作 | 按键 |
|
||
| ------------------------------------ | --------------------------------------- |
|
||
| 移动光标 | `BTNU` / `BTND` / `BTNL` / `BTNR` |
|
||
| 左键（揭开；在开始界面上 = 开始） | `BTNC` |
|
||
| 插旗模式（拨上去后左键 = 插/取消旗） | `SW0` 或 `SW3` |
|
||
| 返回上一层（关卡内） | 把光标移到盘面**左上角黄格**再按 `BTNC` |
|
||
|
||
**鼠标**：默认按键；想用真鼠标就把顶层参数 `USE_PS2_MOUSE` 设为 1（需要 Digilent
|
||
Pmod PS2 插在 JA + 一个 PS/2 鼠标）。`cpu21_ps2_mouse.v` 只实现了**接收**（发 0xF4
|
||
初始化要靠鼠标产生的时钟脉冲，不是固定延时能糊的，所以没写假的）；多数鼠标上电即上报，
|
||
需要 0xF4 的那种得自己补。USB 鼠标在这个核上不现实（协议栈放不下）。C 程序两种方式
|
||
完全不用改。
|
||
|
||
## 6. 验证状态（说实话）
|
||
|
||
| 部分 | 状态 |
|
||
| ------------------------------------------------------------------------------------ | ----------------------------------------------------------------- |
|
||
| C 工具链链路 | **已实测**：编译/链接/ISA 检查/hex 生成/入口地址逐条核对 全部通过 |
|
||
| `saolei.c` / `isr.c` / `start.c` / `linker.ld` | 逻辑对着 RTL 写；**未在仿真器/硬件上跑过** |
|
||
| `cpu21_mmio.v` 扩展、`cpu21_vga.v`、`cpu21_seg7.v`、`cpu21_pointer.v`、板级顶层、XDC | **未综合、未上板** |
|
||
|
||
建议验证顺序：① 跑 `pipelined-cpu/tools/run_regress.ps1` 确认原来的跑马灯/中断/指令
|
||
测试仍全 PASS；② 定义 `SAOLEI_ROM` 跑行为仿真，看有没有往 `0x2000` 起的显存写字节、
|
||
按键后有没有跳进 `0x200`；③ 再上板。
|
||
|
||
## 7. 已知可改进项
|
||
|
||
- **屏幕上没有字母**：字模是 4 位字形（0-15），所以"开始"是绿色按钮条 + 光标框而不是
|
||
"START" 字样。要显示文字就把格子编码扩成 5 位字形（`mmio.h` 的 `CELL()` 与
|
||
`cpu21_vga.v` 的字模表各改一处，颜色降到 3 位）。
|
||
- 棋盘固定 16×16、40 雷（16 是 2 的幂，索引全用移位，一次除法都不用）；要改大小就改
|
||
`saolei.c` 顶部的 `BW/BH/NMINES`。
|
||
- `run_regress.ps1` 里还没有扫雷的自动测试项。
|