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DE2Extra 是一个基于 NEORV32 RISC-V 软核的完整 SoC 系统，运行在 Altera DE2-115 (Cyclone IV E, 114K LEs) FPGA 开发板上。围绕开源 CPU 核心自研了 10 个活跃 Wishbone 外设 IP、SoC 互联、FreeRTOS 固件及 22 个命令行应用。
| CPU | NEORV32 v1.13.1 · RV32IMC + Zicsr + Zicntr + Zbkb/Zbkc/Zbkx/Zknd/Zkne/Zknh/Zksed/Zksh |
| 总线 | Wishbone B4 · 1 主 / 12 从 (10 active, 2 stub) · 32-bit · 组合地址解码 |
| 固件 | FreeRTOS V11.3 · 4 任务 (uart_input/shell/active/status) · ~207KB |
| 启动 | Boot mode 0: 2KB IMEM bootloader → UART 上传 → SDRAM @ 0x01000000 |
| 显示 | VGA 640×480 @60Hz · 80×30 文本模式 + RGB565 像素模式 · GPU 2D FILL |
| 输入 | PS/2 键盘 (主输入) · UART 115200 · IR NEC 红外遥控 |
| 加速 | AES-128 硬件 107.6× 加速 · Conway 64×25 硬件引擎 |
| 板级 | SDRAM 128MB · HD44780 LCD 16×2 · 7-SEG ×8 · LED ×24 |
| 外设 | 地址 | 说明 | 上板 |
|---|---|---|---|
sdram_ctrl |
0x01000000 |
128MB, burst, async FIFO CDC | ✅ |
vga_text_terminal |
0xF0000000 |
80×30 文本 + 640×480 RGB565 像素 | ✅ |
ps2_controller |
0xF0008000 |
PS/2 键盘, scancode + IRQ | ✅ |
build_info_wb |
0xF0009000 |
HW/SW 版本 ROM | ✅ |
lcd_wb |
0xF000B000 |
HD44780 16×2 LCD | ✅ |
ir_nec_wb |
0xF000C000 |
NEC 红外解码 | ✅ |
ntt_sdf |
0xF000F000 |
NTT 加速器 (HW 已从综合移除, SW 替代) | |
expdemo_wb |
0xF0010000 |
13 个课程实验硬件多路复用 | ✅ |
conway_engine |
0xF0011000 |
Conway 64×25 硬件引擎 | ✅ |
synth_engine |
0xF0012000 |
3×OSC + DX7 FM, WM8731 (HW 已移除) | — |
gpu_2d |
0xF0015000 |
FILL rect, SDRAM burst 写 | ✅ |
完整板级验证状态: doc/phases/de2os-rtos-status.md
交互程序 (F1=帮助, F10=退出):
hello · crypto · ps2 · snake · conway · info · riscvasm · expdemo · twm · ntt · synthpforth · cryptoviz
工具命令:
selfcheck · postverify · stats · ver · clear · pxtest · vgadump · vgamon
DE2Extra/
├── neorv32/ # NEORV32 RISC-V CPU (submodule, v1.13.1)
├── src/rtl/ # VHDL 源码
│ ├── de2os_top.vhd # 顶层实体 (唯一 Quartus 工程)
│ ├── bus/wb_intercon.vhd # 1 主 / 12 从地址解码
│ ├── periph/ # 12 个外设控制器 (10 active, 2 removed)
│ └── lib/ # 公共包 (de2extra_pkg, build_info_pkg 等)
├── sw/
│ ├── lib/ # 共享库 (HAL, 程序源码, TWM, GFX, pForth)
│ ├── app/de2shell_rtos/ # 主固件 (FreeRTOS + SDRAM)
│ └── app/crypto_cli/ # 密码学库 (AES/SHA/SM4)
├── par/de2os/ # Quartus 工程
├── run/ # 部署脚本 (deploy, upload)
└── doc/ # 文档 + 宣传物料
└── promo/ # 架构图, 演示 PPT, 横幅
详细指南: doc/编译烧录前必看.md
CLI 工具 (跨平台):
pip install pyserial # 首次需要
python run/de2extra.py sw-build && python run/de2extra.py sw-upload # 改软件 (~45s)
python run/de2extra.py hw-build && python run/de2extra.py hw-flash # 改硬件 (~15min)旧脚本 (仅 Git Bash):
./run/deploy_de2shell_rtos.sh inc # 增量: 重编 app + 上传
./run/deploy_de2shell_rtos.sh full # 全量: app + bootloader + Quartus + 烧录 + 上传本地仿真 (无需 FPGA):
cd sw/lib && make run # SDL2 像素模式 shell, 需 GCC 15+ 和 SDL2| 指标 | 数值 |
|---|---|
| 主频 | 50 MHz |
| FPGA 资源 | ~47% (53.5K / 114.5K LEs) |
| AES 硬件加速 | 100+x (vs 纯软件) |
| 固件大小 | ~207KB (SDRAM 执行) |
| 软件增量部署 | ~45s (编译 ~25s + 上传 ~20s) |
| 硬件全量编译 | ~15min (bootloader + Quartus 综合) |
| 长稳测试 | 7h38m 无崩溃 |
- NEORV32 RISC-V Processor — RISC-V 软核 (v1.13.1 + 本地补丁, BSD-3-Clause)
- FreeRTOS — 实时操作系统内核 (MIT)
- Wishbone B4 Specification — 片上总线协议
- DE2-115 User Manual — 开发板文档
- RISC-V Privileged Specification — ISA 规范
子模块锁定在上游 v1.13.1，在此基础上有 1 个本地 commit（72fbfc57）。改动仅涉及 bootloader，CPU 核心 RTL 未修改。
| 改动 | 文件 | 说明 |
|---|---|---|
| UART 波特率: 19200 → 115200 | sw/bootloader/config.h |
匹配板级设置 |
| 自动启动超时: 8s → 1s | sw/bootloader/config.h |
加快启动循环 |
| SPI flash: 禁用 | sw/bootloader/config.h |
DE2-115 未使用 |
| 启动时 SDRAM 自检 | sw/bootloader/main.c + hal/ |
上传前验证 SDRAM |
| KEY0 复位后恢复 SDRAM 固件 | sw/bootloader/main.c |
读取 0x018FFFF0 标记，免重新下载即可重启上次上传的固件 |
| VGA 镜像 + 上传进度条 | hal/source/uart.c, system.c |
bootloader 输出同步到 VGA，上传时显示进度条 |
本项目在开发过程中使用了 AI 辅助编程。所有 AI 生成的代码均经过审查、上板测试，并按需修改后才纳入最终代码库。
| 类别 | 使用的工具 |
|---|---|
| 模型 | GLM 5.1, DeepSeek V4, GPT 5.4 |
| 编程环境 | Claude Code, DeepSeek TUI, Codex |
本项目仅供学习和研究目的。按照本文档操作涉及 FPGA bitstream 烧录、SDRAM 读写等硬件操作，请确保你清楚自己在做什么。因不当操作导致的开发板损坏、数据丢失或其他损失，作者不承担任何责任。
本项目代码采用 MIT License。
使用的开源组件：
| 组件 | 许可 |
|---|---|
| NEORV32 RISC-V Processor (v1.13.1 + 本地补丁) | BSD-3-Clause |
| FreeRTOS V11.3 Kernel | MIT |
| RISC-V ISA Specifications | CC-BY-4.0 |
| Wishbone B4 Specification | OpenCores License |