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
97 lines
6.5 KiB
Tcl
97 lines
6.5 KiB
Tcl
## cpu21_board_top.xdc —— Nexys4DDR (xc7a100tcsg324-1) 上板引脚
|
||
## 引脚编号取自 ConstraintsData/Nexys4DDR_Master.xdc（母版默认全部注释）。
|
||
## 只约束 cpu21_board_top 实际使用的端口。
|
||
|
||
## 100 MHz 板载时钟（分频器输入）
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN E3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { clk100 }]
|
||
create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports { clk100 }]
|
||
|
||
## CPU 时钟：板上 100 MHz 经 CLK_DIV(=2) 分频到 50 MHz
|
||
## （与 cpu21_board_top.v 的 CLK_DIV 保持一致；改分频比时这里也要改。
|
||
## 乘除法已是多周期单元，不再需要 16 分频；实测 100 MHz 下剩余违例路径是
|
||
## EX 级分支判决/中断保存 → BPB 更新，50 MHz 则余量充足）
|
||
create_generated_clock -name cpu_clk -source [get_ports { clk100 }] \
|
||
-divide_by 2 [get_pins { clk_div_reg/Q }]
|
||
|
||
## 复位按键（CPU_RESETN，低有效）与"继续运行"按键（BTNC）
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN C12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { rst_n }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN N17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { go }]
|
||
|
||
## 拨码开关 SW[2:0] 作为三路中断源
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[0] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN L16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[1] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN M13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { irq_sw[2] }]
|
||
|
||
## 16 位 LED：显示 MMIO 写入值的低 16 位
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN H17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[0] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN K15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[1] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN J13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[2] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN N14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[3] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN R18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[4] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN V17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[5] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN U17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[6] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN U16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[7] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN V16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[8] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN T15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[9] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN U14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[10] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN T16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[11] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN V15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[12] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN V14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[13] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN V12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[14] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN V11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led[15] }]
|
||
|
||
## LED16_B：MMIO 写入指示（拉长约 0.34 s @50 MHz）
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN R12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { led_we }]
|
||
|
||
## 上板调试时可把 MMIO 写入的 LED 寄存器也引到 LED16_R/G，
|
||
## 但默认只用一个引脚，避免与 led_we 争用。
|
||
|
||
## ======================= 扫雷扩展外设 =======================
|
||
|
||
## 5 向按键：BTNC 已作 go（同时也当鼠标左键），另外 4 个当光标方向
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN M18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnu }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN P18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnd }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN P17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnl }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN M17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { btnr }]
|
||
|
||
## SW[3]：插旗模式（1 = 点击时插旗/取消旗）
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN R15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sw_flag }]
|
||
|
||
## 七段数码管（共阳极：位选/段选都是低有效）
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN T10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[0] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN R10 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[1] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN K16 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[2] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN K13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[3] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN P15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[4] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN T11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[5] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN L18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { seg[6] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN H15 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { dp }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN J17 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[0] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN J18 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[1] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN T9 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[2] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN J14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[3] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN P14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[4] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN T14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[5] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN K2 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[6] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN U13 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { an[7] }]
|
||
|
||
## VGA（640x480@60，25 MHz 像素节拍由 CPU 时钟使能产生）
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN A3 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[0] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN B4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[1] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN C5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[2] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN A4 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_r[3] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN C6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[0] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN A5 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[1] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN B6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[2] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN A6 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_g[3] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN B7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[0] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN C7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[1] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN D7 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[2] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN D8 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_b[3] }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN B11 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_hs }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN B12 IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { vga_vs }]
|
||
|
||
## PS/2 鼠标（可选：Pmod JA 插 Pmod PS2，顶层 USE_PS2_MOUSE=1）
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN C17 IOSTANDARD LVCMOS33 PULLUP true } [get_ports { ps2_clk }]
|
||
set_property -dict { PACKAGE_PIN D18 IOSTANDARD LVCMOS33 PULLUP true } [get_ports { ps2_data }]
|