FPGA上的CHIP-8游戏机模拟器

这是一个在FPGA芯片（具体为TinyFPGA BX）上运行的CHIP-8游戏机模拟器。

实现注释与思考

编写单元测试（见cpu，gpu，bcd）对我的帮助极大，使我能够对大部分指令进行仿真测试。我还编写了一些简单的汇编程序，并使用Tortilla-8项目将其编译为CHIP-8格式。

为了使屏幕和键盘功能正常工作，还需要一些手动测试。我为芯片编写了简单程序运行，并修正了对CHIP-8行为的一些误解（例如，内存读写涉及多个寄存器，以及图形绘制可以环绕边界）。在这个过程中，我也修正了我的Rust语言编写的CHIP-8模拟器，有趣的是，尽管之前的理解有误，它仍能运行许多游戏。

CHIP-8规范包括16个一字节寄存器（V0到VF）和20个两字节栈空间。最初我想让它们成为独立数组，但很难协调访问以实现为RAM合成，因此我决定将它们映射到内存中（参见[cpu.v]顶部描述的内存映射）。

屏幕内容也被映射到了系统内存中，这意味着CPU和屏幕模块需要竞争内存访问。我决定，在读取屏幕内容时暂停CPU（即不执行下一条指令）。

处理屏幕显示是令人烦恼的，我按行存储帧数据（每个字节代表8像素的水平条），而我使用的屏幕期待的是8像素的垂直条，因此需要额外逻辑来旋转这些数据。

BCD指令（将字节转换为三个十进制数字）在电路中实现较为困难，因为它涉及到除以10的操作。我采用了Hacker's Delight一书中描述的方法，该方法涉及位移操作和手动调整。详细可见[bcd.v]。

向内存加载游戏很有趣。IceStorm工具提供了icebram实用程序，可以在已准备好的比特流中替换内存内容，这样就不必每次想玩不同的游戏时都重复整个漫长的（约30秒）构建过程。

TinyFPGA BX的默认时钟速度为16MHz，这对CHIP-8游戏来说太快了。所以我将整体速度限制为每秒500条指令。

我还添加了一个“调试模式”，同时按下1和F键激活。这时，我会渲染寄存器、堆栈和部分程序内存而不是屏幕缓冲区，观看其运作十分有趣。

随机数生成使用了Xorshift算法，每一周期计算一次新值，若检测到按键则迭代计算两次，确保结果受用户输入影响。

最后，由于我是Verilog的新手，项目在某些方面显得笨拙：

• 单条指令大约需20个周期。
• 内存访问遵循“读-确认”循环，其间有一个不必要的单周期暂停。
• iCE40内存是双端口的，理论上可同时读写，但我并未利用这一点。
• 整个项目占用1600多个LUT，我相信可以优化至少于1000个LUT，以便能适应更小的iCEstick。

硬件配置

我使用了以下硬件：

• TinyFPGA BX，搭载Lattice iCE40-LP8K芯片
• SparkFun的16按钮键盘
• WaveShare的128x64像素单色OLED屏幕

源码概述

Verilog模块：

• chip8.v —— 专为TinyFPGA BX设计的顶层模块
• cpu.v —— 包含内存控制器的CPU
• mem.v —— 系统内存
• gpu.v —— 图形精灵绘制
• bcd.v —— BCD转换电路
• rng.v —— 虚拟随机数生成器
• screen_bridge.v —— OLED屏幕与CPU之间的桥接，以访问帧缓冲区

测试文件：

• *_tb.v —— 模块的测试平台（见下方如何运行）
• asm/ —— 各种汇编程序