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# P8：FPGA 实验

通过阅读本文，您肯定做不出 P8，本文也仅限于介绍很少一部分 P8 的思路以及实现
P8 作为 FPGA 实验，需要详细参考教程，本文仅供参考
P8 的主要内容是对 Verilog 搭建的 MIPS 微系统进行综合，并使其能够运行在 FPGA 上
课上课下会要求编写汇编代码实现一些功能

# 课下部分

坚持到最后感觉还是写点东西吧，这个系列最好不要半途而废，这里是 P8 的一些做法和提示，详细的等到有时间再慢慢写

首先是 P8 怎么做，P8 很范围很广，看起来很复杂，但是其实如果 P7 写的好，那么把乘除槽注释掉之后过综合不是问题，然后按照要求添加约束文件，换 IP 核之后就完成了很多工作了

然后需要修改的只有顶层模块和桥 bridge 两块，主要是按照要求添加外设

外设中有很多好添加的比如 LED、按动开关和拨动开关，尤其复杂的是串口通信和数码管

数码管建议对着我的代码看看，然后再去仔细看看教程，搞清楚数码管是四个一组，每一次刷新两个 8 的位置，利用视觉暂留原理显示图像

串口通信我也没太搞明白，总之按我的设计文档加一个中断就完了，但是据助教说这样有问题，需要考虑一下 read_over 这个信号，因为 P8 选做，我也没细看，留个坑等以后看懂了再填

后面附的有设计文档

# 课上部分

课上的话三选一，下面就是三道题目，解法就不放了，毕竟这个汇编各自有各自的写法，但是一定注意一下 beq 后面一定要手写一个 nop，否则就会出锅，个人觉得 UART 最难没选，计时器肯定最简单，然后第三题就没看了

另：今年的 P8 可以带自己的笔记本，不知道以后还是不是这样

# 可变速计时器

从拨码开关 (switch) 读入数据： 在计数器进行计数时触发读入操作。拨码开关组 A 中读入一个无符号 32 bit 数字，设该无符号 32 bit 数字为nn，实现以下功能

控制计时器计数时间间隔：nn 即为计时器计数的时间间隔秒数，并有以下限制：

  • 若n=0n=0，计数器不工作，数码管显示为自定义初始值（该值有且仅有一种，形如 "00000000"）；
  • 若0<n≤20<n\leq2，计数器每隔大约 n 秒进行一次计数的操作，并在数码管上显示；
  • 若n>2n>2，视n=2n=2，计数器每隔大约 2 秒进行一次计数的操作。时间间隔可以不精确，但需要使记数速度的差异可以被分辨。

循环计数：在计时器工作时，计数器从 0 计数至 9，之后又回到 0 重新从 0 至 9 计数。计时器任意一个工作时刻所记的数需要在数码管上显示。

举例：拨码开关 1 设置为 00000000000000000000000000000010 ，则每隔大约 2 秒数码管上的数值加 1。特别地，当要更新数码管数值时，数码管显示数值为 9，则更新数码管显示数值为 0。

# 十六进制数串口输出

在不改变外部设备代码设计的情况下，编写 mips 汇编程序，实现以下功能。

从拨码开关 ( switch ) 读入数据：从拨码开关组 B 中读入一个无符号 32bit 数字，设该无符号 32bit 数字为nn。
用户定义开关 ( user key ) 触发操作：将nn 显示在数码管上（8 个十六进制数字），并通过 UART 将数码管上显示的数字以 ASCII 字符形式输出。

举例：拨码开关 B 设置为 10101010101010101010101010101010 ，触发用户按钮 1 后，数码管显示 AAAAAAAA ，UART 在勾选 "ascii mode" 的情况下输出 AAAAAAAA

# 可交互存储器

在不改变外部设备代码设计的情况下，编写 mips 汇编程序，实现以下功能。

从拨码开关 ( switch ) 读入数据：从拨码开关组 A 和 B 中读入两个无符号 32bit 数字，设 A 读入数字为addadd，设 B 读入数字为valuevalue。

用户定义开关 ( user key ) 触发操作：触发某一个开关，将valuevalue 显示在数码管上（8 个十六进制数字），并将valuevalue 写入addadd 所对应的地址中；触发另一个开关，将addadd 地址中储存的值显示在数码管上（8 个十六进制数字）

注意：只需支持addadd 在 DM 范围的访问操作，超出 DM 范围则不需进行访存操作（即不用改变数码管的显示，或者使数码管显示自定义内容）；按字存储，地址不对齐则不需进行访存操作。

举例：

  • 拨码开关 A 设置为 00000000_00000000_00000000_00000000 ，拨码开关 B 设置为 00000000_00000000_00000000_00000001 ，触发用户按钮 1 后，数码管显示 00000001 ;
  • 再将拨码开关 A 设置为 00000000_00000000_00000000_00000004 ，触发用户按钮 2 后，数码管显示 00000000 ;
  • 再将拨码开关 A 设置为 00000000_00000000_00000000_00000000 ，触发用户按钮 1 后，数码管显示 00000001 。

# 设计文档

# 总体设计概述

要求实现的指令集为 MIPS-C5 ，即 LB、LBU、LH、LHU、LW、SB、SH、SW、ADD、ADDU、 SUB、SUBU、SLL、SRL、SRA、SLLV、 SRLV、SRAV、AND、OR、XOR、NOR、ADDI、ADDIU、ANDI、ORI、 XORI、LUI、SLT、SLTI、SLTIU、SLTU、BEQ、BNE、BLEZ、BGTZ、 BLTZ、BGEZ、J、JAL、JALR、JR、MFHI、MFLO、MTHI、MTLO、MFC0、MTC0、ERET，在 P7 的基础上减少了乘除槽指令

总体文件目录树如下：

image-20211220094927690

CPU 部分的目录树如下：

image-20211220094958752

# CPU 设计

# CPU 数据通路设计

（P5 的图，也没有乘除槽，大致相同吧～）

image-20211220102927382

# 控制逻辑设计

  • 控制逻辑为分布式译码控制逻辑
  • 第一部分为译码部分，根据输入的 Instr 信号译码，得到 rs，rt 等信息

image-20211220103309993

  • 第二部分为分类部分，根据输入的 opcode 和 funct 决定这条指令是什么，属于哪一类（P6 的分类方法)

  • 第三部分为控制信号生成部分，根据第二部分决定的哪一类指令决定生成什么样的控制信号

  • 控制模块位于每一个流水线层级的顶层，如上面图片所示

  • 在阻塞控制中由于需要对指令分类，顺便复用了控制模块

# Others

可以看出与 P7 相比，P8 增加了较多的外设，解决的主要问题是系统 I/O 设计，但是同时也需要对 CPU 进行修改以符合可综合的要求

首先是去除乘除槽，这一部分直接把相关内容注释掉即可

然后是 IM 和 DM 的改造，按照教程添加 IP 核即可，对于读写时序问题，我的方法是采用新建一个时钟 IP 核，分出 CPU 时钟频率的二倍频去驱动 IM 和 DM，按照教程的说法，这样存储器的行为即与原来一致

然后改变顶层模块端口以符合约束文件的要求，这样即可满足通过综合的要求，即完成了大部分改造工作，对于原有的流水线数据通路，并不需要做任何改造工作

# 整体系统设计

我的整体系统设计与教程保持一致，即 CPU 只与 Bridge 交互，由 Bridge 负责向哪个外设写出数据，从哪个外设读取数据，把 DM 也视作一个外设

对于 LED、数码管、按键等外设，我在 mips.v 中实例化外设，将他们跟桥连接在一起

关于 Bridge 模块的输入输出端口定义如下：

image-20211220100332328

其中 tmp_m_*** 为 CPU 发出的读写存储器的请求， m_*** 为实际访问的地址和读取的数据，Bridge 会根据 CPU 发出的请求返回合适的数据，通过 tmp_m_data_rdata 返回读取的数据，或者往合适的外设里根据 tmp_m_data_byteen 写入 tmp_m_data_wdata 的值

具体做法是根据请求的地址，选择合适的外设

image-20211220100714833

然后选择合适的读出的值或者给出恰当的写使能

image-20211220100735242

像 DipSwitch，Key 和 LED 这一类较为简单的外设，只有简单的读或写的功能，需要编写的是与 FPGA 外部端口交互的控制逻辑，我直接用简单的赋值完成读写操作

下面以较为复杂的 DigitalTube 为例，说明外设如何连接

首先是译码的函数，每四位表示一个十六进制数字

image-20211220100946253

根据教程，数码管四个为一组，每一次只刷新一个数码管，利用视觉暂留原理，看到的就是变化的数码管数字

在控制逻辑中，我们内置一个状态机，每次经过 32'd500000 个时钟周期后，更新一次状态，选择下一个数字位刷新

刷新时就根据内置的两个寄存器 reg0 和 reg1 的值控制屏幕显示的十六进制数字

还有 UART 模块，课程组已经给出了大部分代码，根据教程提示，我们需要添加中断请求信号，接受状态中的 receive status 信号就是表示是否接收完毕的信号，如果接收完毕会发出中断请求，因此直接把 receive status 当做 IntReq 即可

另外需要在 head_uart.v 中改一下时钟周期，使其与我的设计 55MHz 一致

复位后默认波特率位 9600，不需要特地设置

关于发送，写使能判断发送

# 习题代码设计

# 简易计算器

检测两组拨动开关的值，读出作为运算数

检测按键开关哪一个是开启状态，在我的设计中分别表示加、减、与、或、异或、逻辑左移、逻辑右移和算术右移

然后计算出结果，直接写入数码管外设中即可

代码如下

# *** I/O Address Table ***
# Data Memory       0x0000_0000 - 0x0000_2fff
# Timer0       		0x0000_7f00 - 0x0000_7f0b
# UART         		0x0000_7f20 - 0x0000_7f3b
# Digital Tube    	0x0000_7f40 - 0x0000_7f47
# Dip Switch     	0x0000_7f50 - 0x0000_7f57
# Button Key        0x0000_7f58 - 0x0000_7f5b
# LED        		0x0000_7f60 - 0x0000_7f63 

dead_loop:

lw $s0, 0x7f50($0)
lw $s1, 0x7f54($0)

lb $t0, 0x7f58($0)

beq $t0, 1, ADD
nop
beq $t0, 2, SUB
nop
beq $t0, 4, AND
nop
beq $t0, 8, OR
nop
beq $t0, 16, XOR
nop
beq $t0, 32, SHIFT_LEFT_LOGIC
nop
beq $t0, 64, SHIFT_RIGHT_LOGIC
nop
beq $t0, 128, SHIFT_RIGHT_ALGORITHM
nop

ADD:
addu $s2, $s0, $s1
sw $s2, 0x7f40($0)
j End

SUB:
subu $s2, $s0, $s1
sw $s2, 0x7f40($0)
j End

AND:
and $s2, $s0, $s1
sw $s2, 0x7f40($0)
j End

OR:
or $s2, $s0, $s1
sw $s2, 0x7f40($0)
j End

XOR:
xor $s2, $s0, $s1
sw $s2, 0x7f40($0)
j End

SHIFT_LEFT_LOGIC:
sllv $s2, $s0, $s1
sw $s2, 0x7f40($0)
j End

SHIFT_RIGHT_LOGIC:
srlv $s2, $s0, $s1
sw $s2, 0x7f40($0)
j End

SHIFT_RIGHT_ALGORITHM:
srav $s2, $s0, $s1
sw $s2, 0x7f40($0)
j End

End:
j dead_loop

# 计时器

读取拨码开关的值，存入 $t1 寄存器

外设计时器采用 1 模式，循环计数，设成循环 55M 个周期，因为我的频率是 55MHz，每次停止都触发中断，在中断中停止计数、更新新的计数值、更新数码管显示，然后循环重新设置计时器开始计数

代码如下

# *** I/O Address Table ***
# Data Memory       0x0000_0000 - 0x0000_2fff
# Timer0       		0x0000_7f00 - 0x0000_7f0b
# UART         		0x0000_7f20 - 0x0000_7f3b
# Digital Tube    	0x0000_7f40 - 0x0000_7f47
# Dip Switch     	0x0000_7f50 - 0x0000_7f57
# Button Key        0x0000_7f58 - 0x0000_7f5b
# LED        		0x0000_7f60 - 0x0000_7f63 

.text
ori $2, $0, 0xfc01
mtc0 $2, $12

lw $t1, 0x7f50($0)	# Read Time Length From Dip Switch Group 0-3
sw $t1, 0x7f40($0)

li $t2, 55000000
sw $t2, 0x7f04($0)	# Set Timer

Start:

li $t2, 0xb
sw $t2, 0x7f00($0)	# Start Count

Wait:
bgtz $t1, Wait
nop

li $t2, 0x0
sw $t2, 0x7f00($0)	# End Count

dead_loop:
j dead_loop
nop


.ktext 0x4180

subi $t1, $t1, 1		# Count - 1
sw $t1, 0x7f40($0)

eret

# UART 回显

主要是处理 UART 串口通讯

首先是打开中断，然后死循环等待接收信息响应中断

在中断处理程序中，读取接收的数据写入内存，然后 EPC 设为 EPC+4 跳出循环

然后再把数据写入 0x7f20，重新发送会外部，再次回到等待接收信息死循环状态

代码如下

# *** I/O Address Table ***
# Data Memory       0x0000_0000 - 0x0000_2fff
# Timer0       		0x0000_7f00 - 0x0000_7f0b
# UART         		0x0000_7f20 - 0x0000_7f3b
# Digital Tube    	0x0000_7f40 - 0x0000_7f47
# Dip Switch     	0x0000_7f50 - 0x0000_7f57
# Button Key        0x0000_7f58 - 0x0000_7f5b
# LED        		0x0000_7f60 - 0x0000_7f63 

.text
# Turn On the Interrupt
ori $2, $0, 0x1001
mtc0 $2, $12

# Wait receiving data
Wait:
j Wait

sw $t2, 0x7f40($0)	# Display the character in the Digital Tube
sw $t2, 0x7f20($0)	# Re-Write to UART, Send out
j Wait			# Back to send data and waiting


.ktext 0x4180		
# When receive completely, IntReq process in 0x4180
lw $t2, 0x7f20($0)	# Read Data From UART
sw $t2, 0($0)		# Save to the Memory

mfc0 $k0, $14		# EPC + 4, Jump out of the loop
addiu $k0, $k0, 4
mtc0 $k0, $14

eret

# 彩蛋

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