nmpsm3软处理器 [电子森林]

NMPSM3概述

在UCSC扩展学院上了第一门FPGA课后，我对这些设备为普通人提供的功能感到惊讶，我决定更深入地研究它们。我最终意识到我有足够的逻辑设计知识，可以构建自己的简单处理器。在了解了KCPSM（nanoblaze）之后，我开始构建自己的处理器，并将其称为NMPSM（Nick Mikstas可编程状态机）。我花了三遍迭代才能制作出功能全面的处理器，因此命名为NMPSM3。即使NMPSM3受到nanoblaze IO方案的启发，其内部结构也完全不同。NMPSM3是具有四个独立中断和一个复位的16位处理器。NMPSM至少需要实现四个18Kb BRAMS：一个用于寄存器，一个用于堆栈，一个用于解码器，至少一个用于程序ROM。使处理器正常工作后，我为其编写了汇编程序，并创建了一个大型项目以展示其功能。

当我第一次设计NMPSM3时，它是在Digilent Nexys 2板上实现的。Nexys 2上有Xilinx Spartan 3部件。在成功实施该项目之后，几年来我对NMPSM3一无所获。我最终在SCU上了一门课，基本上和UCSC Extension上的一门课一样。我决定通过更新项目以使其在Digilent Basys 3 FPGA板上工作来使NMPSM3振作起来。由于新的FPGA部件（Artyx 7）比Spartan 3具有更多的功能，因此我也对该项目进行了一些升级。我也写了一份详尽的报告。

NMPSM3报告

NMPSM3屏幕截图

NMPSM3硬件

与处理器一起，我还基于8位Nintendo构建了其他一些模块，包括UART和图片处理单元（PPU）。一些Verilog代码很粗糙，因为在创建此项目时我正在学习Verilog。

Final_Project.v

`timescale 1ns / 1ps
 
module Final_Project(
    input clk,
 
    input [15:0]sw,
 
    input btnC,
    input btnU,
    input btnD,
    input btnL,
    input btnR,
 
    input data,
 
    input RsRx,
    output RsTx,
 
    output RxTest,
    output TxTest,
 
    output [15:0]led,
 
    output [6:0]seg,
    output [3:0]an,
    output dp,
 
    output [3:0]vgaRed,
    output [3:0]vgaGreen,
    output [3:0]vgaBlue,
    output Hsync,
    output Vsync,
 
    output sclk,
    output ce
    );
 
    //UART test ports.
    assign RxTest = RsRx;
    assign TxTest = RsTx;
 
    wire clk100MHz;
    wire clk50MHz;
    wire clk25MHz;
    wire t0out;
    wire t1out;
    wire ack0;
    wire ack1;
    wire ack2;
    wire ack3;
    wire sigout0;
    wire sigout1;
    wire sigout2;
    wire sigout3;
    wire ce1k;
    wire blink;
    wire read;
    wire write;
    wire vblank;
    wire reset;
    wire [15:0]id;
    wire [15:0]outdata;
    wire [7:0]hour;
    wire [7:0]min;
    wire [7:0]sec;
    wire [35:0]inst;
    wire [15:0]in_port;
    wire [15:0]address;
    wire [7:0]romdata;
    wire [11:0]mdout;
    wire [7:0]vgadata;
    wire [9:0]addr;
    wire [10:0]romaddress;
    wire [11:0]mdin;
 
    //UART wires.
    wire [7:0]uartdata;
    wire [11:0]txcount;
    wire [11:0]rxcount;  
 
    //Unused VGA bits in this design.
    assign vgaRed[0] = 1'b0;
    assign vgaGreen[0] = 1'b0;
    assign vgaBlue[0] = 1'b0;
    assign vgaBlue[1] = 1'b0;
 
    //Reset signal.
    assign reset = btnU;
 
    //Flip-flop for interrupt 0.
    FF ff0(.set(t0out), .reset(ack0), .sigout(sigout0));
 
    //Flip-flop for interrupt 1.
    FF ff1(.set(t1out), .reset(ack1), .sigout(sigout1));
 
    //Flip-flop for interrupt 2.
    FF ff2(.set(vblank), .reset(ack2), .sigout(sigout2));
 
    //Flip-flop for interrupt 3(not used).
    FF ff3(.set(1'b0), .reset(ack3), .sigout(sigout3));
 
    //Divide by 100,000.
    div100k divideBy100K(.clock(clk100MHz), .ce1k(ce1k));
 
    //Clock divider.
    clk25 c(.clk_in1(clk), .clk_out1(clk100MHz), .clk_out2(clk50MHz), .clk_out3(clk25MHz));
 
    //NMPSM3 soft processor.    
    NMPSM3 nmpsm3(.clk(clk100MHz), .reset(reset), .IRQ0(sigout0), .IRQ1(sigout1), .IRQ2(sigout2), .IRQ3(sigout3),
                  .INSTRUCTION(inst), .IN_PORT(in_port), .READ_STROBE(read), .WRITE_STROBE(write), .IRQ_ACK0(ack0),
                  .IRQ_ACK1(ack1), .IRQ_ACK2(ack2), .IRQ_ACK3(ack3), .ADDRESS(address), .OUT_PORT(outdata),
                  .PORT_ID(id));
 
    //Program ROM for NMPSM3.
    Program_ROM prgROM(.clka(clk100MHz), .addra(address[9:0]), .douta(inst));
 
    //Lookup ROM
    Lookup_ROM lookuprom(.clka(clk100MHz), .addra(romaddress), .douta(romdata));
 
    //UART
    uart uart1(.clk(clk100MHz), .reset(reset), .id(id), .din(outdata), .write(write), .rx(RsRx), .tx(RsTx),
               .dout(uartdata), .rxcount(rxcount), .txcount(txcount));
 
    //LED output controller.    
    ledio LEDIO(.clk(clk100MHz), .reset(reset), .write(write), .id(id), .din(outdata), .ledsout(led[7:0]));
 
    //LED output controller 2.
    LEDIO2 ledio2(.clk(clk100MHz), .reset(reset), .write(write), .id(id), .din(outdata), .ledsout(led[15:8]));
 
    //Seven segment controller.
    seg7io seg7control(.clk(clk100MHz), .ce1k(ce1k), .write(write), .reset(reset), .id(id), .din(outdata),
                       .segselect(an), .segs({dp,seg}));
 
    //Timer 0.
    timer0 time0(.clk(clk100MHz), .cein(ce1k), .write(write), .reset(reset), .id(id), .din(outdata), .dout(t0out));
 
    //Timer 1.
    timer1 time1(.clk(clk100MHz), .cein(ce1k), .write(write), .reset(reset), .id(id), .din(outdata), .dout(t1out));
 
    //ROM controller for lookup ROM.
    ROMcontroller ROMcontrol(.clk(clk100MHz), .id(id), .ain(outdata), .aout(romaddress));
 
    //Processor input data MUX.
    dataMUX datamux(.read(read), .blink(blink), .id(id), .i2cdata(16'd0), .i2cstatus(16'd0), .xpos(16'd0), .ypos(16'd0),
                    .uartdata({8'h00,uartdata}), .txcount(txcount), .rxcount(rxcount), .romdata(romdata),
                    .switches(sw), .sec(sec), .min(min), .hour(hour), .micdata({btnD, 3'h0, mdout}),
                    .dout(in_port));
 
    //Clock control.
    ClockControl clockcontrol(.clock(clk100MHz), .ce_1KHz(ce1k), .button({btnD, btnL, btnC, btnR}), .blink(blink),
                              .hour(hour), .min(min), .sec(sec));  
 
    //Picture processing unit.
    VGA ppu(.clk25MHz(clk25MHz), .clk(clk100MHz), .write(write), .id(id), .data(outdata[7:0]),
            .vblank(vblank), .vsync(Vsync), .hsync(Hsync), .vga({vgaBlue[3:2], vgaGreen[3:1], vgaRed[3:1]}));    
 
    //Microphone control.
    MControl mc(.clk(clk100MHz), .reset(reset), .serialdata(data), .nenable(ce), .sclk(sclk), .micdata(mdout));          
endmodule

这是本文档旧的修订版！