Anccend/risc-v-cpu
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risc-v-cpu/README.md
T
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

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# `cpu21-riscv-4.circ` 的 Verilog 实现
处理器顶层文件：`pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v`
该设计对应原电路中的“重定向流水线+中断+分支预测”部分，顶层模块为
`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`。为便于单独仿真与调试，各功能单元已拆分为
独立文件，顶层的 ALU、BPB 也已移出，具体见文末“文件与模块划分”。
## 目录结构
```text
risc-v/
├─ README.md 本文档
├─ pipelined-cpu/ Vivado 工程目录（也是源文件所在地）
│ ├─ create_project.tcl 一键重建工程的 Tcl 脚本
│ ├─ srcs/rtl/*.v 处理器与外设 RTL（17 个文件，cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v 为处理器顶层）
│ │ 外设：cpu21_mmio.v（MMIO 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 PS/2 鼠标）
│ ├─ srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层（时钟分频 + 片内 ROM/RAM + 引脚）、片内 ROM 初始化
│ ├─ srcs/constrs/*.xdc 引脚与分频时钟约束（+ Nexys4DDR 母版）
│ ├─ srcs/tb/*.v 三个测试平台
│ ├─ srcs/rom/*.hex 测试平台加载的 ROM 镜像
│ ├─ tools/ rv_asm.py（迷你汇编器）、hex2vh.py（hex → ROM 初始化）、run_regress.ps1（一键回归）
│ └─ programs/ 汇编源程序、期望值、课程原始资产（RARS）
└─ saolei/ 纯 C 扫雷（MMIO 显示 + 中断读鼠标），见下文
├─ sw/ C 源码 + 链接脚本（三个固定中断入口）
└─ tools/ build.ps1（C → ROM）、check_isa.py（指令白名单校验）
```
**仓库里不放任何 Vivado 生成物**（`.xpr`、`.runs`、`.sim`、`.cache`、`.hw`、
`.ip_user_files`、`.Xil`、`vivado.jou/log` 本地已清理干净）：需要工程时用
`source create_project.tcl` 一键重建，这样仓库始终是最清爽的源文件状态。
约定：git 只跟踪 `pipelined-cpu/` 下的源文件（`srcs/`、`tools/`、`programs/`、
`create_project.tcl`），Vivado 生成物（`*.xpr`、`*.runs`、`*.sim`、`*.cache`…）由
`.gitignore` 排除。`srcs/rtl/` 只放可综合的处理器源码；板级顶层与约束在 `srcs/board/`、
`srcs/constrs/`；测试平台与 ROM 镜像在 `srcs/tb/`、`srcs/rom/`（镜像是按 MMIO 写 LED
修改过的版本，课程原始程序与 RARS 输出保留在 `programs/`）。
## 已转换的功能
- 五级流水：IF、ID、EX、MEM、WB。
- EX/MEM 与 MEM/WB 前递，以及 load-use 一拍停顿。
- 条件分支 `beq`、`bne`、`blt`/`bge`（有符号）、`bltu`/`bgeu`（无符号）在 EX 段判定，错误预测时清空 IF/ID、ID/EX 并重定向 PC。真值表中 BLT 的 `ALU_OP` 为 SLT，与实现一致。
- `jal`、`jalr` 在 EX 段重定向，返回地址写回 `rd`。
- 8 项全相联 BPB：标签 `PC[11:2]`，每项包含 valid、目标 PC、2 位饱和计数器和 3 位年龄字段。BPB 只由条件分支更新，避免 `jal`、`jalr` 占用不会被查询的表项；未命中时优先使用无效项，否则替换年龄最大的项。
- 三路中断输入 `irq_i[2:0]`：两级同步、上升沿挂起、IRQ3 > IRQ2 > IRQ1 优先级，仅在 `ustatus[0]`（MIE）允许时响应。
- 支持嵌套中断：保存 EPC、`ustatus` 和当前优先级；`URET` 使用当前 `uepc` 返回，并从硬件栈恢复外层上下文。三个入口按照原电路的 `INTpc` 选择：IRQ1=`0x30ac`、IRQ2=`0x31e4`、IRQ3=`0x3310`。`0x22` 是 `ecall` 的服务号 34，不是中断向量。
- CSRRSI、CSRRCI，以及 CSRRW：支持 CSR 地址 `0x004`（`ustatus`）和 `0x041`（`uepc`）。立即数为 `IR[19:15]` 的零扩展值，并按 RISC-V 规则把旧 CSR 值写回 `rd`；这覆盖任务书中的 `csrrsi s6,0x41,0` 和 `csrrw zero,0x41,s6` 用法。
- `ecall`：停机和调试用。`a7 == 34` 是历史遗留的“显示”调用，现已保留为无操作；其余取值（例如程序结尾惯用的 `a7 = 10`）置 `halted_o`，直到 `go_i` 为高。LED 显示改由 MMIO 存储完成（见下文“MMIO 与外设”）。
- `sw` 和 `sb`：输出 `data_wstrb_o`，支持按字节写入。
- `lui`：加载高位立即数，`rd = imm[31:12] << 12`（按需求补充的扩展指令，标准 opcode `0x37`）。
- `sltiu`：I 型 `funct3=011`，立即数符号扩展后按无符号与 rs1 比较。
- M 扩展乘法（`funct7=0000001`）：`mul`（乘积低 32 位）、`mulh`（有符号×有符号高 32 位）、`mulhsu`（有符号×无符号高 32 位）、`mulhu`（无符号×无符号高 32 位）。
- M 扩展除法：课程真值表里的 `divu`（`funct3=101`，无符号商）与 `remu`（`funct3=111`，无符号余数）。
以上六条乘法/除法指令都由 **多周期单元** `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_muldiv.v` 完成（见“时序和使用说明”第 7 条），
而不是组合逻辑。
## 指令编码
表中的 `opcode` 是控制器使用的五位字段 `IR[6:2]`，不是包含最低两位的 7 位原始 opcode。
因此它与标准 RISC-V 指令的低 7 位 opcode 相差右移两位。
| 指令类别 | opcode | 说明 |
| ----------------------------------------------- | -----: | ----------------------------------------------------------------------------------- |
| R 型 | `0x0c` | add/sub/and/or/xor/slt/sltu/sll/srl/sra |
| M 扩展（R 型） | `0x0c` | `funct7=0000001`：mul/mulh/mulhsu/mulhu、divu（`funct3=101`）、remu（`funct3=111`） |
| I 型 ALU | `0x04` | addi/andi/ori/xori/slti/sltiu/slli/srli/srai |
| `lui`（扩展） | `0x0d` | 加载高位立即数，`rd = imm[31:12] << 12` |
| `lw` | `0x00` | `funct3=010` |
| `sw` / `sb` | `0x08` | `funct3=010` / `000` |
| `beq` / `bne` / `blt` / `bge` / `bltu` / `bgeu` | `0x18` | `funct3=000` / `001` / `100` / `101` / `110` / `111` |
| `jal` | `0x1b` | J 型立即数 |
| `jalr` | `0x19` | `funct3=000` |
| 系统类 | `0x1c` | `ecall`、`URET`、CSRRSI、CSRRCI |
`ecall` 和 `URET` 都是 `opcode=0x1c、funct3=0`，由 `IR[21]` 区分：
`IR[21]=0` 是 `ecall`，`IR[21]=1` 是 `URET`。这一点来自原控制器中的 `IR21` 分支逻辑。
## MMIO 与外设
外设寄存器映射在数据存储器地址空间，由 `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v` 在 MEM 级译码。
这些地址都在 4 KB 数据 RAM（`0x0000`–`0x0FFC`）之外，因此不会与 RAM 冲突。
每行的字节偏移都按**字**对齐译码（同一 32 位寄存器内任意字节偏移都命中）。
| 地址 | 外设 | 写 | 读 |
| ---------------------- | -------------- | ---------------------------------------------------------------------------- | -------------------------- |
| `0x0000_1000` | LED 数据寄存器 | `sw` 写全字；`sb` 按 `data_wstrb_o` 只改对应字节通道，`led_valid_o` 拉高一拍 | `lw` 返回 LED 寄存器当前值 |
| `0x0000_1004` | 七段数码管 | `sw`/`sb` 写 8 位十六进制数（低 4 位 = 最右边那个数码管） | `lw` 读回 |
| `0x0000_1100`+ | 鼠标寄存器组 | STATUS / DATA / ACK / CTRL / INPUT / TIME / FRAME / EVCNT / LEVEL / MAGIC | 同左（DATA 读无副作用） |
| `0x0000_1140`+ | 显示控制器 | CTRL（光标可见、背景色）/ CURSOR（列、行） | 同左（另含 MAGIC 自检值） |
| `0x0000_2000`–`0x27FF` | 显存 | 40 列 × 30 行、每格 1 字节（字形 + 颜色），写端口接到板级顶层的双口 RAM | `lw` 组合读回 |
其中 `LEVEL`（`0x1120`）是一个**软件中断**寄存器：写 1 会拉起 `irq_i[1]`，用来让程序
"跳到关卡入口"；`MAGIC`（`0xCAFE0001`/`0xCAFE0002`）可以读来自检 MMIO 是否活着。
鼠标事件 FIFO（深度 16）配合 `mouse_irq_o` 提供"事件到达即中断"，`isr_body` 读空 FIFO 后
中断线自动回 0，因此不会丢事件。
地址译码按**字**对齐：同一 32 位寄存器内的任意字节偏移（如 `0x1001`）都算命中，
具体修改哪几个字节由 `data_wstrb_o` 决定。`data_addr_o` 在命中 MMIO 时不会
访问外部 RAM；读数据由 `cpu21_mmio` 的输出在顶层与 `data_rdata_i` 做选择。
典型用法（LED 写 `0x12345678`，可用 `pipelined-cpu/tools/rv_asm.py` 汇编）：
```asm
lui t0, 0x1 # t0 = LED_ADDR = 0x00001000
lui t1, 0x12345
addi t1, t1, 0x678 # t1 = 0x12345678
sw t1, 0(t0) # MMIO 写 LED -> LED 输出 12345678
lw a0, 0(t0) # MMIO 读回
```
`pipelined-cpu/programs/mmio_test.asm`（期望值见 `mmio_test.expected`）覆盖了
全字写、读回、字节写三种情况。加入新外设（拨码开关、UART 等）时只需在
`pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v` 里扩展地址译码，处理器流水线无需改动。
## 顶层端口约定
- `instr_i`：当前 `instr_addr_o` 对应的 32 位指令。原 Logisim 中由 ROM 提供。
- `data_rdata_i`：当前 `data_addr_o` 的读数据。原 Logisim 中由 MIPS RAM 提供。
- `data_addr_o`、`data_wdata_o`、`data_wstrb_o`、`data_we_o`：数据存储器接口。地址按字节地址输出；若使用原 32 位 RAM，可用 `data_addr_o[11:2]` 作为字地址。
- `irq_i[0]`、`irq_i[1]`、`irq_i[2]`：1、2、3 号中断源；输入应为脉冲或边沿信号，模块内部会同步并锁存挂起状态。
- `go_i`：对应原电路的“继续运行”按键。
- `if_pc_o`、`id_pc_o`、`ex_pc_o`、`mem_pc_o`、`wb_pc_o`：五级流水当前保存的 PC，气泡时输出 0，便于替代原电路的调试探针。
- `rdin_o`、`mdin_o`、`reg_write_o`、`mem_write_o`：对应原电路的寄存器写回和存储器写调试输出。
- `cycle_count_o`、`stall_count_o`、`bubble_count_o`、`conditional_taken_count_o`、`unconditional_branch_count_o`、`prediction_success_count_o`、`prediction_failure_count_o`：对应原电路和课程要求的周期、停顿/气泡、分支和动态预测统计量。
## 时序和使用说明
1. `reset` 为高时异步清空流水线、寄存器文件、BPB、挂起中断和中断栈，PC 置为 `RESET_PC`；`ustatus` 复位为参数 `USTATUS_INIT`，默认 `0x0000_0001`（MIE 上电即使能）。这样做的原因是课程的中断测试程序只在中断处理程序的“保护现场”之后写 MIE，主流程不会开中断；若不默认使能，第一次中断只会挂在 `irq_pending_o` 上而永不响应。参数可覆盖，例如把 `USTATUS_INIT` 设为 `32'h0` 即可恢复“上电关中断”的行为。
2. 指令存储器按组合读处理；数据存储器读数据在一个 MEM 周期内返回。若 RAM 为同步读，需要在外部增加一级数据寄存或相应调整 MEM/WB。
3. 响应中断时允许当前 EX 指令完成，并保存下一条尚未执行指令的 PC；若 EX 是已正确预测的跳转分支，则保存实际目标地址。EX 为空时优先保存 IF/ID 中尚未执行的 PC。这样 `URET` 不会重复执行已经提交的存储或寄存器写操作。
4. 默认 BPB 新表项采用弱不跳转/弱跳转状态：首次更新为不跳转时计数器为 `01`，首次更新为跳转时为 `10`；命中后按 2 位饱和规则增减。
5. `bpb_predict_hit_o`、`bpb_predict_taken_o`、`bpb_mispredict_o` 和 `irq_*_o` 是观测端口，不参与外部控制，可以直接接逻辑分析仪或测试平台。
6. `cycle_count_o` 在 `halted_o` 为高时暂停；load-use 每次计入一个气泡，重定向或中断清空 IF/ID 与当前 IF 时计入两个气泡。
7. 乘除法是多周期指令：结果算完之前 `ex_md_stall` 有效，ID/EX 保持（指令继续占用 EX）、EX/MEM 插气泡、取指/译码冻结，同时屏蔽中断（避免结果未定型就写回）。一次乘/除共占用 34 拍（1 拍装载 + 32 拍迭代 + 1 拍定型），这些等待周期也计入 `stall_count_o` / `bubble_count_o`。乘除法迭代期间不会把错误值写进 rd，也不会因为中断被打断。
原 `.circ` 文件中的 ROM、MIPS RAM、按钮、LED 和调试显示器属于 Logisim 外围，不直接搬入 RTL；其功能分别由指令接口、数据接口、`go_i`、MMIO（`led_data_o`/`led_valid_o`）和调试端口替代。
## 文件与模块划分
| 文件 | 模块 | 职责 |
| --------------------------------------------------------- | --------------------------------- | ---------------------------------------------------------------------------------- |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v` | `cpu21_riscv_redirect_int_bpb` | 顶层：五级流水寄存器、子模块例化、PC/IF-ID/ID-EX 控制、对外输出 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_alu.v` | `cpu21_riscv_alu` | 组合 ALU（加减/移位/逻辑/比较，不做乘除） |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_muldiv.v` | `cpu21_riscv_muldiv` | 多周期乘除法单元：32 拍移位迭代，mul/mulh/mulhsu/mulhu/divu/remu |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_bpb_8.v` | `cpu21_bpb_8` | 8 项全相联分支目标缓冲（2 位饱和计数器 + 近似 LRU） |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_decoder.v` | `cpu21_riscv_decoder` | ID 级组合译码器（操作码`IR[6:2]`） |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_regfile.v` | `cpu21_riscv_regfile` | 寄存器堆，`x0` 恒为 0，同周期 WB 写优先旁路 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_forward_unit.v` | `cpu21_riscv_forward_unit` | EX 级前递网络（EX/MEM 优先于 MEM/WB） |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_store_unit.v` | `cpu21_riscv_store_unit` | EX 级存储数据对齐：`sw`/`sb` 的写数据与字节写掩码 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_branch_unit.v` | `cpu21_riscv_branch_unit` | EX 级控制流裁决：分支方向/目标、JAL/JALR 重定向 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_hazard_unit.v` | `cpu21_riscv_hazard_unit` | load-use 冒险、停顿（stall）与冲刷（flush）判定 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_irq_ctrl.v` | `cpu21_riscv_irq_ctrl` | 中断采样与优先级、`ustatus`/`uepc` CSR、嵌套返回栈 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_perf_counters.v` | `cpu21_riscv_perf_counters` | 周期/停顿/气泡/分支/预测成功率等统计计数器 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_mmio.v` | `cpu21_mmio` | MMIO 中枢：LED、七段数码管、鼠标寄存器组 + 事件 FIFO + 中断、显示控制器、显存窗口 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_vga.v` | `cpu21_vga` | 640x480@60 显示控制器：按"格子"扫描，8x8 字模放大 2 倍填满 16x16 的格子 |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_seg7.v` | `cpu21_seg7` | 板载 8 位数码管动态扫描驱动（共阳极，位选/段选低有效） |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_pointer.v` | `cpu21_pointer` | 把 5 向按键变成"鼠标"事件（去抖 + 事件排队，单位 1/8 格） |
| `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_ps2_mouse.v` | `cpu21_ps2_mouse` | 可选的真鼠标：PS/2 接收（11 位帧 + 奇校验 + 3 字节包解析），只实现接收 |
| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v` | `cpu21_board_top` | 板级顶层：时钟分频、复位同步、片内 ROM/RAM、显存双口 RAM、VGA/数码管/鼠标/中断连线 |
| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_saolei_rom.vh` | — | 扫雷程序的 ROM 初始化（由 `saolei/tools/build.ps1` 生成） |
| `pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc` | — | Nexys4DDR 引脚约束 + 分频时钟（`create_generated_clock`） |
| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh` | — | 片内 ROM 内容（生成文件，`rom[i] = 32'h…;`） |
| `pipelined-cpu/srcs/tb/tb_board_top.v` | `tb_board_top` | 板级顶层的 RTL 仿真（观察 LED 跑马灯与写入指示） |
| `pipelined-cpu/srcs/tb/tb_no_intr.v` | `tb_no_intr` | 无中断测试平台（指令集/MMIO 测试，默认加载 benchmark 镜像） |
| `pipelined-cpu/srcs/tb/tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb.v` | `tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb` | 中断与分支预测测试平台（默认加载中断测试镜像） |
| `pipelined-cpu/tools/rv_asm.py` | — | 迷你汇编器：`.asm` → 机器码 hex（`.lst` 带反汇编清单） |
| `pipelined-cpu/tools/hex2vh.py` | — | hex →`pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh`（`rom[i] = 32'h…;` 初始化语句） |
拆分只调整了模块边界与文件组织，端口、时序与行为完全等价：使用同一 ROM 程序
在 xsim 下对拆分前后逐周期对比，波形输出与最终统计（周期、停顿、气泡、分支
跳转、预测成败）完全一致。
## 上板（Nexys4DDR + Vivado）
处理器顶层 `cpu21_riscv_redirect_int_bpb` 有 775 位调试端口（各级 PC/IR、计数器、
BPB/中断观测值）。如果直接把它设为实现顶层，这些端口会全部变成引脚，导致
`[Place 30-415] IO Placement failed due to overutilization`（占用 775 个 IO，
而 `xc7a100tcsg324-1` 只有 210 个）。因此上板时用 `cpu21_board_top` 作为顶层，
只引出板上真正需要的那些引脚（LED、按键、拨码、VGA、8 位数码管、可选的 PS/2），
其余调试端口不连接。定义宏 `SAOLEI_ROM` 时还会把扫雷程序固化进 ROM。
### 引脚分配（`cpu21_board_top.xdc`）
| 端口 | 引脚 | 板上元件 | 说明 |
| ------------- | ----------- | ------------------------- | ---------------------------------------------- |
| `clk100` | E3 | 100 MHz 晶振 | 经`CLK_DIV` 分频后给 CPU |
| `rst_n` | C12 | 按键 CPU_RESETN（低有效） | 异步置位、与 CPU 时钟同步释放 |
| `go` | N17 | 按键 BTNC | 对应原电路“继续运行”（`ecall` 停机后恢复执行） |
| `irq_sw[2:0]` | J15/L16/M13 | 拨码开关 SW0–SW2 | 三路中断源，拨动即触发（内部同步并锁存） |
| `led[15:0]` | H17…V11 | LED0–LED15 | MMIO（`LED_ADDR`）写入值的低 16 位 |
| `led_we` | R12 | LED16_B | MMIO 写入指示，每写一次拉长约 2.7 s |
### 时钟：为什么还保留 2 分频
乘除法原本是 ALU 里的组合运算（`a*b`、`a%b`），实测关键路径约 94 ns（325 级逻辑、
286 个 CARRY4），在 100 MHz 下必然不收敛，所以之前只能把时钟 16 分频到 6.25 MHz。
现在乘除法改成了 `pipelined-cpu/srcs/rtl/cpu21_riscv_muldiv.v` 里的 **32 拍迭代多周期单元**，关键路径上
不再有组合乘/除，也不需要再分频了；但把所有加法器/比较器都换成迭代后，在 100 MHz
下仍有约 1.1 ns 的违例——那是 **EX 级“分支判决 / 中断保存 → BPB 更新”这条与乘除法
无关的组合路径**（逻辑只占约 3 ns，剩下 7~8 ns 全是布线）。
因此在 `cpu21_board_top` 里保留一个参数化的分频器 `CLK_DIV`，默认取 **2（50 MHz，
周期 20 ns）**，既比原来的 16 分频快 8 倍，又留出充足余量：
| 配置 | CPU 时钟 | 实测 WNS（xc7a100tcsg324-1） | 说明 |
| ------------ | -------- | ---------------------------- | ------------------------------------- |
| `CLK_DIV=1` | 100 MHz | -1.1 ns ✗ | 违例路径与乘除法无关（分支/中断/BPB） |
| `CLK_DIV=2` | 50 MHz | **+5.1 ns** ✓ | 默认，余量约 25% |
| `CLK_DIV=16` | 6.25 MHz | +6.1 ns ✓ | 改造前的设置，现在没必要了 |
分频后的时钟在综合/实现时由 Vivado 自动插入 BUFG 走全局时钟网络（RTL 里不例化
`BUFG` 原语，这样在不认识 Xilinx 原语的仿真器里也能直接仿真）。XDC 中必须用
`create_generated_clock` 声明这个分频时钟，否则时序分析会按 10 ns 去要求 CPU
内部路径而误报大量违例：
```tcl
create_generated_clock -name cpu_clk -source [get_ports { clk100 }] \
-divide_by 2 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
```
改分频比时 RTL 的 `CLK_DIV` 与 XDC 的 `-divide_by` 要同时改。
### 片内 ROM / RAM
- ROM：`ROM_WORDS = 1024` 字（4 KB），组合读，取指地址 `instr_addr[11:2]`；
内容由 `` `include "cpu21_board_rom.vh" `` 给出（与 `cpu21_board_top.v` 同目录，
文件里是 1024 条
`rom[i] = 32'h…;`，放在 `initial` 里，等价于 `$readmemh`，且不依赖文件路径）。
- RAM：`RAM_WORDS = 1024` 字（4 KB），字节写使能 + 组合读，只响应
`data_addr < 4 KB`，因此 MMIO 地址（默认 `0x1000`）不会落进 RAM。
- 两个 `initial` 块都用 NOP（`32'h0000_0013`）或 0 预填充，ROM 未使用区域是 NOP，
这样即使程序跑飞也不会执行到随机指令而乱写寄存器。
### 演示程序的生成与仿真
```powershell
# 在工程目录 pipelined-cpu/ 下执行：
# 1) 汇编 + 生成 ROM 初始化文件
python tools/rv_asm.py programs/board_demo.asm _tmp/board_demo.hex
python tools/hex2vh.py _tmp/board_demo.hex srcs/board/cpu21_board_rom.vh 1024
# 2) 上板顶层的 RTL 仿真（默认程序延时约 20 ms，只需确认第一次写入 LED=0001）
xvlog srcs/rtl/*.v srcs/board/cpu21_board_top.v srcs/tb/tb_board_top.v
xelab -top tb_board_top -snapshot board_sim
xsim board_sim -tclbatch run_quit.tcl
```
`board_demo.asm` 是一段 16 步跑马灯（`0001 → 0002 → … → 8000 → 0001`），
每步之间用软件循环延时约 20 ms（50 MHz 下）。仓库里同时提供了两份 ROM 初始化
文件，由 `BOARD_ROM_FAST` 宏选择（综合流程不会定义该宏）：
| 文件 | 用途 | 每步耗时 |
| -------------------------------------------------- | ------------------------------ | -------- |
| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh` | 综合/上板（默认） | 约 20 ms |
| `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom_fast.vh` | 仅仿真：一次跑完整个跑马灯序列 | 2.6 µs |
```powershell
# 快速版仿真：编译时加上 -d BOARD_ROM_FAST（xvlog 与 xelab 都要带）
xvlog -d BOARD_ROM_FAST srcs/rtl/*.v srcs/board/cpu21_board_top.v srcs/tb/tb_board_top.v
xelab -top tb_board_top -snapshot board_sim_fast -d BOARD_ROM_FAST
```
两份 ROM 初始化文件由 `programs/board_demo.asm`（默认，≈ 20 ms/步）与
`programs/board_demo_fast.asm`（快速版，≈ 2.6 µs/步，只差延时循环的初值）生成：
```powershell
python tools/rv_asm.py programs/board_demo_fast.asm _tmp/board_demo_fast.hex
python tools/hex2vh.py _tmp/board_demo_fast.hex srcs/board/cpu21_board_rom_fast.vh 1024
```
### Vivado 工程设置与实现结果
Vivado 工程 `pipelined-cpu/pipelined-cpu.xpr` 被 `.gitignore` 排除，需要手动设置：
1. `sources_1` 顶层设为 `cpu21_board_top`（纯 RTL 仿真时也可切回
`cpu21_riscv_redirect_int_bpb`）；
2. 加入 `pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_top.v`、`pipelined-cpu/srcs/constrs/cpu21_board_top.xdc`，
`pipelined-cpu/srcs/board/cpu21_board_rom.vh` 的文件类型设成 `Verilog Header`（不能当普通源码，
否则会被当成顶层候选）；
3. 三个 testbench 放在**仿真 fileset**（`sim_1` 顶层 `tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb`、
`sim_2` 顶层 `tb_no_intr`），不参与综合，因此不会再出现“testbench 被当成顶层”
导致的 `[Place 30-494] The design is empty`。
`xc7a100tcsg324-1` 上的实现结果（乘除法改为多周期单元、`CLK_DIV=2` = 50 MHz）：
| 项目 | 结果 |
| -------- | -------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 综合 | `synth_design Complete!` |
| 实现 | `route_design Complete!`、`write_bitstream Complete!`，`WNS = +5.109 ns`（无 Failed Timing） |
| 资源 | LUT 3420 (5.39%)、FF 2507、**DSP 0**（组合乘法器已消失）、IOB 23 (10.95%) |
| bit 文件 | `pipelined-cpu/pipelined-cpu.runs/impl_1/cpu21_board_top.bit` |
对比改造前（组合乘除法 + `CLK_DIV=16`）：LUT 5400 → 3420、DSP 12 → 0、
CPU 时钟 6.25 MHz → 50 MHz（快 8 倍），并且乘除法不再位于关键路径上。
上板操作：用 Vivado 打开工程 → `Open Hardware Manager` → `Program Device`，选上述
`.bit`。复位后跑马灯立即从 `0001` 开始逐位左移（演示程序不执行 `ecall`，所以不用
按 `go`；`go` 只对执行了 `ecall` 停机、等待继续运行的程序有意义），LED16_B 每次写入时点亮。
## 扫雷程序（`saolei/`）
`saolei/` 是一个**纯 C 写的扫雷**，用 RISC-V 工具链编译成机器码后固化进片内 ROM 运行，
反过来验证这套 MMIO/中断/显示/鼠标外设。完整说明见 `saolei/README.md`，要点：
- **三段中断入口**（地址由 `saolei/sw/linker.ld` 定死，与顶层 `IRQ1/2/3_VECTOR` 成对）：
IRQ1=`0x100` 关卡（游戏）程序、IRQ2=`0x200` 鼠标读取、IRQ3=`0x300` 备用；
- **两层结构**：背景 `main()` 画开始界面并一直运行 → 点"开始"写 `LEVEL` 寄存器拉起软件中断
→ CPU 跳进 `0x100` 的关卡程序跑完整局 → 点左上角黄格 `uret` 回到背景被打断的那条指令；
- **纯 C**，只有三处必要的内联汇编：设 `sp`、三个中断入口的现场保护、`uret`；
- **指令子集适配**：没有 `auipc`/`lb`/`lbu`/有符号 `div`，所以程序只按字节写显存、
索引全用移位、且不含 `.data`/`.rodata`（链接脚本用 `ASSERT` 兜住）；
- **构建**：`saolei/tools/build.ps1`（C → ELF → `.hex` + `cpu21_saolei_rom.vh`），
并用 `check_isa.py` 逐条反汇编检查有没有用到未实现的指令。实测 842 条指令全部合法；
- **上板切换**：Vivado 里定义宏 `SAOLEI_ROM` 就加载扫雷程序，不定义仍是下面的跑马灯。
## 回归测试
工程里带了一个 xsim 回归脚本，在 `pipelined-cpu/` 目录下运行：
```powershell
powershell -ExecutionPolicy Bypass -File tools\run_regress.ps1
```
它会按顺序做四件事：
1. 编译 `srcs/rtl/` 下的处理器源码；
2. 跑 4 个指令测试（`muldiv_test`、`isa_test`、`lui_test`、`mmio_test`），把测试平台
打印的 LED 序列与 `programs/*.expected` 逐值比对；
3. 跑两个流水基线（`tb_no_intr`、`tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb`），打印 FINAL 统计行；
4. 跑板级顶层（`-d BOARD_ROM_FAST`），检查跑马灯 LED 序列。
最后汇总 PASS/FAIL，并以失败数作为退出码。编译与仿真的中间文件都写在
`%TEMP%\cpu21_regress` 下，不会污染工程目录；需要 `xvlog`/`xelab`/`xsim` 在 PATH 上。
期望结果（2026-09，多周期乘除法 + `CLK_DIV=2`）：
| 测试 | 期望 |
| -------------------------------------------------- | ---------------------------------------------------------------------------- |
| muldiv_test / isa_test / lui_test / mmio_test | 13 / 24 / 4 / 5 个 LED 值全部匹配 |
| tb_no_intr（benchmark，5560 周期） | `stalls=1528 bubbles=1830 cond_taken=639 uncond=71 pred_ok=687 pred_fail=80` |
| tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb（中断，6003 周期） | `stalls=963 bubbles=1205 cond_taken=547 uncond=28 pred_ok=557 pred_fail=87` |
| 板级（快速 ROM） | 跑马灯 `0001 → … → 8000` 循环，每步约 2.6 µs |
## 工程分享（Tcl 一键重建）
`pipelined-cpu/` 已整理成“自包含 + 可直接分享”的工程目录，设计文件都在里面，
别人拿到整个文件夹后**不需要改任何路径**：
```text
pipelined-cpu/
├─ create_project.tcl 一键重建脚本（用 [info script] 定位自身目录）
├─ srcs/rtl/*.v 处理器 RTL（13 个文件）
├─ srcs/board/*.v|*.vh 板级顶层、片内 ROM 初始化（含 __FAST 仿真版本）
├─ srcs/constrs/*.xdc 引脚约束 + 板级母版
├─ srcs/tb/*.v 三个测试平台
├─ srcs/rom/*.hex 测试平台加载的 ROM 镜像
├─ tools/、programs/ 迷你汇编器与测试程序（重生成 ROM 用）
├─ cpu21_riscv_redirect_int_bpb说明.md
└─ pipelined-cpu.xpr（+ *.runs/…） 本机工程，分享时可删
```
用法（在 Vivado Tcl Shell 里，或命令行 `vivado -mode batch -source create_project.tcl`）：
```tcl
cd <pipelined-cpu 所在目录>
source create_project.tcl
```
脚本会就地创建 `pipelined-cpu.xpr`，并配好：
- `sources_1` 顶层 `cpu21_board_top`（处理器 RTL + 板级顶层 + 片内 ROM 初始化，
`cpu21_board_rom.vh` 标记为 `Verilog Header`）；
- `constrs_1`：`cpu21_board_top.xdc`（引脚 + `CLK_DIV` 分频时钟）与板级母版；
- `sim_1`（顶层 `tb_cpu21_riscv_redirect_int_bpb`）与 `sim_2`（顶层 `tb_no_intr`）；
测试平台会依次探测 ROM 镜像，其中 `../../../../../srcs/rom/` 对应 GUI 仿真的
工作目录（`<proj>.sim/sim_1/behav/xsim`），所以创建完就能直接 `Run Simulation`；
- 两个仿真 fileset 的 `xsim.simulate.runtime` 设为 `all`，避免 GUI 仿真只跑 1000 ns
就停下（看起来像卡死）。
分享前建议删掉生成目录：`*.xpr`、`*.runs`、`*.sim`、`*.cache`、`*.hw`、`*.gen`、
`*.ip_user_files`、`.Xil`。实测只带 `create_project.tcl` + `srcs/` + `pipelined-cpu/tools/` +
`programs/` + 说明文档约 **0.3 MB**，在任意路径重建工程并综合成功。
> 源文件只有一份，就在 `pipelined-cpu/srcs/`（`tools/`、`programs/` 同理），
> 直接在工程目录里改即可，没有需要同步的副本。
也可以用 Vivado 自动生成：
```tcl
write_project_tcl -force -paths_relative_to <工程目录> <工程目录>/create_project.tcl
```
注意自动生成的版本会把源路径写成**生成时的绝对路径**、并且要求 `origin_dir` 指向
工程目录，所以要手动改两行才能给别人用：
```tcl
set origin_dir [file dirname [file normalize [info script]]]
create_project ${_xil_proj_name_} $origin_dir -part xc7a100tcsg324-1
```
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