如何在真正的 FPGA 上实现 nand2tetris 处理器？

Question

我学习了 nand2tetris 课程（ https://www.nand2tetris.org/course ），主要目的是学习如何在真正的 FPGA 上构建软处理器。

虽然课程很简单，但现在我开始使用 FPGA 实现，我感到有点失落。

我买了一个 Intel de10 nano FPGA（ http://de10-nano.terasic.com/ ），并且从 Uni 那里获得了一些 Verilog 知识，我能够下载“Quartus Prime Lite”并使用简单的东西（如 LED 闪烁）进行引导， ETC...

但是，在实现处理器时，我不清楚有几件事：

• 如何实现数据 memory？ 我看到有一个 DDR3 模块连接到 FPGA 的 HPS。 这是我需要直接使用的东西吗？ 我可以简单地在 HDL 中使用一个大的 16 位寄存器向量吗？
• 如何从读取程序的位置实现 ROM？ 以及如何存储我组装的二进制文件，然后引导 fetch-decode-execute 循环？
• 如何实现屏幕和键盘？ 确实，板上还有一个HDMI controller：我必须自己实现所有逻辑吗？

这些是我目前正在努力解决的主要问题。 您能否指出对完全新手有用的任何资源？

谢谢，

Answer 1

我在一个小型 fpga (ice40HX8K) 上完成了 nand2tetris 硬件的实现，以下是我的建议：

A. Memory 原装 nand2tetris 使用两个 memory 零件：

1. 指令码ROM
2. 数据 RAM memory

两者都可以使用 fpga 的 BRAM 单元来实现。 它们具有很好的特性，即 BRAM 可以在启动时预加载数据。 这对于使用您的指令代码预加载 ROM 很有用。 如果你有足够的 BRAM 就可以了。 我的主板（来自 Olimex 的 ice40HX8K-EVB）只有 8K x 16 位的 BRAM。 所以我做了以下事情：

1. 我使用 512 x 16 位的 BRAM 作为 ROM 预加载了引导加载程序（用 Hack-Assembler 编写）
2. BRAM 的 rest 用作 RAM (7680 x 16 bit)
3. 我的开发板有一个外部 SRAM 芯片（256 kx 16 位）。 我将此用作指令 memory。 启动时，引导加载程序用应用程序代码填充 SRAM，然后将 SRAM “切换”为指令 memory。

你的主板有一个单独的 DRAM 芯片。 您也可以将其用作 Memory，但请注意：使用 DRAM 比使用 SRAM 复杂得多。

B. 输入/输出 nand2tetris 有一个屏幕和一个键盘。

一个易于实现的替代方案可能如下： 实现一个小型 UART，以便您可以通过终端连接您的 PC（例如 screen /devttyACM0）。 现在您可以在运行时与您的 Hack-CPU（在 fpga 中运行）对话。 我还使用 UART 在启动时上传 Hack-Application。

看看我的回购： https://gitlab.com/x653/nand2tetris-fpga

Answer 2

对于像 nand2tetris 的 CPU 这样简单的东西，您可以使用块 RAM，DE10Nano 上有很多它，可能足以满足您的所有需求。 加上一些更分布的 memory。

如果您仍想访问 DDR，DE10Nano 是一款 SoC，具有由处理器子系统管理的硬 DDR controller。 通过 Avalon 总线与它进行交互非常容易（除非您真的需要最大可能的性能，否则不要打扰 AXI）。

对于 ROM，只需使用 LUT。 Verilog 中的一个简单 static 案例将被翻译成一个高效的基于 LUT 的 ROM。

在 DE10Nano 上访问 HDMI，你可以看看这个例子： https://github.com/combinatorylogic/soc/blob/a1d282d793548030cba940496bed90ff3a29c0ba/backends/c2/hw/de10nano/vgav1080p .同一项目中的 DDR 访问）。 在使用 HDMI 之前，您需要通过 i2c 设置 ADV7513 芯片，请参阅同一项目下 Terasic 的库副本。

对于单色 800x600 视频，您可以使用块 RAM。 对于更高的分辨率，如上例所示，您必须使用 DDR。