如何在实际的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一个真正的FPGA上构建一个软处理器。

虽然课程很简单，但现在我从FPGA实现开始，我感到有点迷茫。

我买了一个英特尔de10纳米FPGA(http://de10-nano.terasic.com/)，我从Uni获得了一些Verilog的知识，我可以下载"Quartus Prime“，用简单的东西如led闪烁等进行引导。

然而，当涉及到实现处理器时，有几件事情我不太清楚：

• 如何实现数据内存？我看到有一个DDR3模块附加在FPGA的HPS上。这是我需要直接使用的东西吗？我能否简单地使用HDL中的16位寄存器向量？
• 如何从程序读取的位置实现ROM？如何存储我组装好的二进制文件，然后引导提取解码执行循环？
• 如何实现屏幕和键盘？事实上，董事会上还有一个HDMI控制器:我必须自己实现所有的逻辑吗？

这些是我目前正在努力解决的主要问题。你能告诉我任何对新手有用的资源吗？

谢谢,

Answer 1

对于像nand2tetris中的CPU这样简单的东西，您可以使用块RAMs，DE10Nano上有足够多的块RAMs，可以满足您的所有需求。再加上一些分布式内存。

如果您仍然希望访问DDR，则DE10Nano是一个由处理器子系统管理的硬DDR控制器的SoC。在Avalon总线上与它进行接口非常容易(除非您确实需要最大的性能，否则不要费心使用AXI )。

对于ROM，只需使用LUTs。在Verilog中的一个简单的静态案例将被转换成一个高效的基于LUT的ROM.

为了在DE10Nano上访问HDMI，您可以查看这个示例：https://github.com/combinatorylogic/soc/blob/a1d282d793548030cba940496bed90ff3a29c0ba/backends/c2/hw/de10nano/vga1080p.v (您还可以查看同一个项目中的DDR )。在使用HDMI之前，您需要在ADV7513上设置i2c芯片，请参阅同一个项目下来自Terasic的库的副本。

对于单色800x600视频，您可以使用块RAM。为了获得更高的分辨率，如上面的示例所示，您必须使用DDR。

Answer 2

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

A.内存原始nand2tetris使用两个内存部分：

1. ROM用于指令代码
2. RAM用于数据存储器

两者都可以用fpga的BRAM单元来实现.它们有一个很好的特性，BRAM可以在启动时预装数据。这是有用的预加载ROM与您的指令代码。如果你有很多布拉姆，你会没事的。我的板(从Olimex来的ice40HX8K-EVB)只有8Kx16bit的BRAM。所以我做了以下几件事：

1. I使用512x16位的BRAM作为ROM预加载一个引导加载器(用BRAM的
2. 写为RAM (7680x16位)
3. ，我的板上有一个外部SRAM芯片(256 kx16位)。我用这个作为指令存储器。在启动时，引导加载程序使用应用程序代码填充SRAM，而不是将SRAM“切换”为指令内存。

你的板上有一个分开的DRAM芯片。您也可以使用DRAM作为内存，但请注意:使用DRAM比使用SRAM要复杂得多。

输入/输出nand2tetris有一个屏幕和一个键盘。

一个容易实现的替代方案可以是:实现一个小的UART，这样您就可以通过终端连接您的PC (例如屏幕/devttyACM0)。现在，您可以在运行时与您的Hack-CPU (在fpga中运行)交谈。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