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，我觉得有点迷茫。

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

但是，在实现处理器时，有几件事我不清楚：

• 如何实现数据存储器？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提取-解码-执行循环？
• 如何实现屏幕和键盘？确实，板上还有一个 HDMI 控制器：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。你能指出我对一个完整的新手有用的任何资源吗？

谢谢，

Answer 1

对于像 nand2tetris 的 CPU 这样简单的东西，您可以使用块 RAM，DE10Nano 上有足够的块 RAM，可能足以满足您的所有需求。再加上一些更多的分布式内存。

如果您仍然想要访问 DDR，DE10Nano 是一款 SoC，具有由处理器子系统管理的硬 DDR 控制器。通过 Avalon 总线与其连接非常容易（除非您确实需要最大可能的性能，否则不要使用 AXI）。

对于 ROM，只需使用 LUT。Verilog 中的简单静态情况将被转换为高效的基于 LUT 的 ROM。

要在DE10Nano上访问HDMI，您可以看一下这个示例： https: //github.com/combinatorylogic/soc/blob/a1d282d793548030cba940496bed90ff3a29c0ba/backends/c2/hw/de10nano/vga1080p.v（您也可以看一下同一项目中的 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 的库的副本。

对于单色 800x600 视频，使用块 RAM 就可以了。对于更高分辨率，如上例所示，您必须使用 DDR。

Answer 2

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

A. 内存 原始 nand2tetris 使用两个内存部分：

1. 指令码ROM
2. 用于数据存储器的 RAM

两者都可以使用 fpga 的 BRAM 单元来实现。它们有一个很好的特性，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。如果您有足够的 BRAM，那就没问题了。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 预装了引导加载程序（用 Hack-Assembler 编写）
2. BRAM 的其余部分用作 RAM（7680 x 16 位）
3. 我的主板有一个外部 SRAM 芯片（256 kx 16 位）。我用它作为指令存储器。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”为指令存储器。

你的主板有一个单独的 DRAM 芯片。您也可以将其用作内存，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。

一个易于实施的替代方案可能如下： 实施一个小型 UART，以便您可以通过终端（例如 screen /devttyACM0）连接您的 PC。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 repo：https : //gitlab.com/x653/nand2tetris-fpga