如何在真正的 FPGA 上實現 nand2tetris 處理器？

Question

我學習了 nand2tetris 課程（ https://www.nand2tetris.org/course ），主要目的是學習如何在真正的 FPGA 上構建軟處理器。

雖然課程很簡單，但現在我開始使用 FPGA 實現，我感到有點失落。

我買了一個 Intel de10 nano FPGA（ http://de10-nano.terasic.com/ ），並且從 Uni 那里獲得了一些 Verilog 知識，我能夠下載“Quartus Prime Lite”並使用簡單的東西（如 LED 閃爍）進行引導， ETC...

但是，在實現處理器時，我不清楚有幾件事：

• 如何實現數據 memory？ 我看到有一個 DDR3 模塊連接到 FPGA 的 HPS。 這是我需要直接使用的東西嗎？ 我可以簡單地在 HDL 中使用一個大的 16 位寄存器向量嗎？
• 如何從讀取程序的位置實現 ROM？ 以及如何存儲我組裝的二進制文件，然后引導 fetch-decode-execute 循環？
• 如何實現屏幕和鍵盤？ 確實，板上還有一個HDMI controller：我必須自己實現所有邏輯嗎？

這些是我目前正在努力解決的主要問題。 您能否指出對完全新手有用的任何資源？

謝謝，

Answer 1

我在一個小型 fpga (ice40HX8K) 上完成了 nand2tetris 硬件的實現，以下是我的建議：

A. Memory 原裝 nand2tetris 使用兩個 memory 零件：

1. 指令碼ROM
2. 數據 RAM memory

兩者都可以使用 fpga 的 BRAM 單元來實現。 它們具有很好的特性，即 BRAM 可以在啟動時預加載數據。 這對於使用您的指令代碼預加載 ROM 很有用。 如果你有足夠的 BRAM 就可以了。 我的主板（來自 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 作為 ROM 預加載了引導加載程序（用 Hack-Assembler 編寫）
2. BRAM 的 rest 用作 RAM (7680 x 16 bit)
3. 我的開發板有一個外部 SRAM 芯片（256 kx 16 位）。 我將此用作指令 memory。 啟動時，引導加載程序用應用程序代碼填充 SRAM，然后將 SRAM “切換”為指令 memory。

你的主板有一個單獨的 DRAM 芯片。 您也可以將其用作 Memory，但請注意：使用 DRAM 比使用 SRAM 復雜得多。

B. 輸入/輸出 nand2tetris 有一個屏幕和一個鍵盤。

一個易於實現的替代方案可能如下： 實現一個小型 UART，以便您可以通過終端連接您的 PC（例如 screen /devttyACM0）。 現在您可以在運行時與您的 Hack-CPU（在 fpga 中運行）對話。 我還使用 UART 在啟動時上傳 Hack-Application。

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

Answer 2

對於像 nand2tetris 的 CPU 這樣簡單的東西，您可以使用塊 RAM，DE10Nano 上有很多它，可能足以滿足您的所有需求。 加上一些更分布的 memory。

如果您仍想訪問 DDR，DE10Nano 是一款 SoC，具有由處理器子系統管理的硬 DDR controller。 通過 Avalon 總線與它進行交互非常容易（除非您真的需要最大可能的性能，否則不要打擾 AXI）。

對於 ROM，只需使用 LUT。 Verilog 中的一個簡單 static 案例將被翻譯成一個高效的基於 LUT 的 ROM。

在 DE10Nano 上訪問 HDMI，你可以看看這個例子： https://github.com/combinatorylogic/soc/blob/a1d282d793548030cba940496bed90ff3a29c0ba/backends/c2/hw/de10nano/vgav1080p .同一項目中的 DDR 訪問）。 在使用 HDMI 之前，您需要通過 i2c 設置 ADV7513 芯片，請參閱同一項目下 Terasic 的庫副本。

對於單色 800x600 視頻，您可以使用塊 RAM。 對於更高的分辨率，如上例所示，您必須使用 DDR。