simulation/ppu/ppu.vhd

   1 library ieee;
   2 use ieee.std_logic_1164.all;
   3
   4 entity ppu is
   5     port (  clk         : in std_logic;
   6             ce_n        : in std_logic;
   7             rst_n       : in std_logic;
   8             r_nw        : in std_logic;
   9             cpu_addr    : in std_logic_vector (2 downto 0);
  10             cpu_d       : inout std_logic_vector (7 downto 0);
  11             vblank_n    : out std_logic;
  12             rd_n        : out std_logic;
  13             wr_n        : out std_logic;
  14             ale         : out std_logic;
  15             vram_ad     : inout std_logic_vector (7 downto 0);
  16             vram_a      : out std_logic_vector (13 downto 8);
  17             vga_clk     : in std_logic;
  18             h_sync_n    : out std_logic;
  19             v_sync_n    : out std_logic;
  20             r           : out std_logic_vector(3 downto 0);
  21             g           : out std_logic_vector(3 downto 0);
  22             b           : out std_logic_vector(3 downto 0)
  23     );
  24 end ppu;
  25
  26 architecture rtl of ppu is
  27
  28 component ppu_render
  29     port (  clk         : in std_logic;
  30             rst_n       : in std_logic;
  31             vblank_n    : out std_logic;
  32             rd_n        : out std_logic;
  33             wr_n        : out std_logic;
  34             ale         : out std_logic;
  35             vram_ad     : inout std_logic_vector (7 downto 0);
  36             vram_a      : out std_logic_vector (13 downto 8);
  37             pos_x       : out std_logic_vector (8 downto 0);
  38             pos_y       : out std_logic_vector (8 downto 0);
  39             r           : out std_logic_vector (3 downto 0);
  40             g           : out std_logic_vector (3 downto 0);
  41             b           : out std_logic_vector (3 downto 0);
  42             ppu_ctrl        : in std_logic_vector (7 downto 0);
  43             ppu_mask        : in std_logic_vector (7 downto 0);
  44             ppu_status      : out std_logic_vector (7 downto 0);
  45             ppu_scroll_x    : in std_logic_vector (7 downto 0);
  46             ppu_scroll_y    : in std_logic_vector (7 downto 0);
  47             r_nw            : in std_logic;
  48             oam_bus_ce_n    : in std_logic;
  49             plt_bus_ce_n    : in std_logic;
  50             oam_plt_addr    : in std_logic_vector (7 downto 0);
  51             oam_plt_data    : inout std_logic_vector (7 downto 0)
  52     );
  53 end component;
  54
  55 component vga_ctl
  56     port (  ppu_clk     : in std_logic;
  57             vga_clk     : in std_logic;
  58             rst_n       : in std_logic;
  59             pos_x       : in std_logic_vector (8 downto 0);
  60             pos_y       : in std_logic_vector (8 downto 0);
  61             nes_r       : in std_logic_vector (3 downto 0);
  62             nes_g       : in std_logic_vector (3 downto 0);
  63             nes_b       : in std_logic_vector (3 downto 0);
  64             h_sync_n    : out std_logic;
  65             v_sync_n    : out std_logic;
  66             r           : out std_logic_vector(3 downto 0);
  67             g           : out std_logic_vector(3 downto 0);
  68             b           : out std_logic_vector(3 downto 0)
  69     );
  70 end component;
  71
  72 component d_flip_flop
  73     generic (
  74             dsize : integer := 8
  75             );
  76     port (
  77             clk     : in std_logic;
  78             res_n   : in std_logic;
  79             set_n   : in std_logic;
  80             we_n    : in std_logic;
  81             d       : in std_logic_vector (dsize - 1 downto 0);
  82             q       : out std_logic_vector (dsize - 1 downto 0)
  83         );
  84 end component;
  85
  86 component counter_register
  87     generic (
  88         dsize       : integer := 8;
  89         inc         : integer := 1
  90     );
  91     port (  clk         : in std_logic;
  92             rst_n       : in std_logic;
  93             ce_n        : in std_logic;
  94             we_n        : in std_logic;
  95             d           : in std_logic_vector(dsize - 1 downto 0);
  96             q           : out std_logic_vector(dsize - 1 downto 0)
  97     );
  98 end component;
  99
 100 procedure d_print(msg : string) is
 101 use std.textio.all;
 102 use ieee.std_logic_textio.all;
 103 variable out_l : line;
 104 begin
 105     write(out_l, msg);
 106     writeline(output, out_l);
 107 end  procedure;
 108
 109 signal pos_x       : std_logic_vector (8 downto 0);
 110 signal pos_y       : std_logic_vector (8 downto 0);
 111 signal nes_r       : std_logic_vector (3 downto 0);
 112 signal nes_g       : std_logic_vector (3 downto 0);
 113 signal nes_b       : std_logic_vector (3 downto 0);
 114
 115 constant dsize     : integer := 8;
 116
 117 constant PPUCTRL   : std_logic_vector(2 downto 0) := "000";
 118 constant PPUMASK   : std_logic_vector(2 downto 0) := "001";
 119 constant PPUSTATUS : std_logic_vector(2 downto 0) := "010";
 120 constant OAMADDR   : std_logic_vector(2 downto 0) := "011";
 121 constant OAMDATA   : std_logic_vector(2 downto 0) := "100";
 122 constant PPUSCROLL : std_logic_vector(2 downto 0) := "101";
 123 constant PPUADDR   : std_logic_vector(2 downto 0) := "110";
 124 constant PPUDATA   : std_logic_vector(2 downto 0) := "111";
 125
 126 signal clk_n            : std_logic;
 127
 128 signal ppu_clk_cnt_res_n    : std_logic;
 129 signal ppu_clk_cnt          : std_logic_vector(1 downto 0);
 130
 131 signal ppu_ctrl_we_n    : std_logic;
 132 signal ppu_mask_we_n    : std_logic;
 133 signal ppu_status_we_n  : std_logic;
 134 signal oam_addr_ce_n    : std_logic;
 135 signal oam_addr_we_n    : std_logic;
 136 signal oam_data_we_n    : std_logic;
 137 signal ppu_scroll_x_we_n    : std_logic;
 138 signal ppu_scroll_y_we_n    : std_logic;
 139 signal ppu_scroll_cnt_ce_n  : std_logic;
 140 signal ppu_addr_we_n        : std_logic;
 141 signal ppu_addr_cnt_ce_n    : std_logic;
 142 signal ppu_data_we_n    : std_logic;
 143
 144 signal ppu_ctrl         : std_logic_vector (dsize - 1 downto 0);
 145 signal ppu_mask         : std_logic_vector (dsize - 1 downto 0);
 146 signal ppu_status       : std_logic_vector (dsize - 1 downto 0);
 147 signal oam_addr         : std_logic_vector (dsize - 1 downto 0);
 148 signal oam_data         : std_logic_vector (dsize - 1 downto 0);
 149 signal ppu_scroll_x     : std_logic_vector (dsize - 1 downto 0);
 150 signal ppu_scroll_y     : std_logic_vector (dsize - 1 downto 0);
 151 signal ppu_scroll_cnt   : std_logic_vector (0 downto 0);
 152 signal ppu_addr         : std_logic_vector (13 downto 0);
 153 signal ppu_addr_in      : std_logic_vector (13 downto 0);
 154 signal ppu_addr_cnt     : std_logic_vector (0 downto 0);
 155 signal ppu_data         : std_logic_vector (dsize - 1 downto 0);
 156
 157 signal oam_bus_ce_n     : std_logic;
 158 signal plt_bus_ce_n     : std_logic;
 159
 160 signal oam_plt_addr     : std_logic_vector (7 downto 0);
 161 signal oam_plt_data     : std_logic_vector (7 downto 0);
 162
 163 begin
 164
 165     render_inst : ppu_render port map (clk, rst_n, vblank_n,
 166             rd_n, wr_n, ale, vram_ad, vram_a,
 167             pos_x, pos_y, nes_r, nes_g, nes_b,
 168             ppu_ctrl, ppu_mask, ppu_status, ppu_scroll_x, ppu_scroll_y,
 169             r_nw, oam_bus_ce_n, plt_bus_ce_n,
 170             oam_plt_addr, oam_plt_data);
 171
 172     vga_inst : vga_ctl port map (clk, vga_clk, rst_n,
 173             pos_x, pos_y, nes_r, nes_g, nes_b,
 174             h_sync_n, v_sync_n, r, g, b);
 175
 176     --PPU registers.
 177     clk_n <= not clk;
 178
 179     ppu_clk_cnt_inst : counter_register generic map (2, 1)
 180             port map (clk_n, ppu_clk_cnt_res_n, '0', '1', (others => '0'), ppu_clk_cnt);
 181
 182     ppu_ctrl_inst : d_flip_flop generic map(dsize)
 183             port map (clk_n, rst_n, '1', ppu_ctrl_we_n, cpu_d, ppu_ctrl);
 184
 185     ppu_mask_inst : d_flip_flop generic map(dsize)
 186             port map (clk_n, rst_n, '1', ppu_mask_we_n, cpu_d, ppu_mask);
 187
 188     ppu_status_inst : d_flip_flop generic map(dsize)
 189             port map (clk_n, rst_n, '1', ppu_status_we_n, cpu_d, ppu_status);
 190
 191     oma_addr_inst : counter_register generic map(dsize, 1)
 192             port map (clk_n, rst_n, oam_addr_ce_n, oam_addr_we_n, cpu_d, oam_addr);
 193     oma_data_inst : d_flip_flop generic map(dsize)
 194             port map (clk_n, rst_n, '1', oam_data_we_n, cpu_d, oam_data);
 195
 196     ppu_scroll_x_inst : d_flip_flop generic map(dsize)
 197             port map (clk_n, rst_n, '1', ppu_scroll_x_we_n, cpu_d, ppu_scroll_x);
 198     ppu_scroll_y_inst : d_flip_flop generic map(dsize)
 199             port map (clk_n, rst_n, '1', ppu_scroll_y_we_n, cpu_d, ppu_scroll_y);
 200     ppu_scroll_cnt_inst : counter_register generic map (1, 1)
 201             port map (clk_n, rst_n, ppu_scroll_cnt_ce_n, '1', (others => '0'), ppu_scroll_cnt);
 202
 203     ppu_addr_inst : counter_register generic map(14, 1)
 204             port map (clk_n, rst_n, ppu_data_we_n, ppu_addr_we_n, ppu_addr_in, ppu_addr);
 205     ppu_addr_cnt_inst : counter_register generic map (1, 1)
 206             port map (clk_n, rst_n, ppu_addr_cnt_ce_n, '1', (others => '0'), ppu_addr_cnt);
 207     ppu_data_inst : d_flip_flop generic map(dsize)
 208             port map (clk_n, rst_n, '1', ppu_data_we_n, cpu_d, ppu_data);
 209
 210
 211     reg_set_p : process (rst_n, ce_n, r_nw, cpu_addr, cpu_d)
 212     begin
 213
 214         if (rst_n = '1' and ce_n = '0') then
 215
 216             --register set.
 217             if(cpu_addr = PPUCTRL) then
 218                 ppu_ctrl_we_n <= '0';
 219             else
 220                 ppu_ctrl_we_n <= '1';
 221             end if;
 222
 223             if(cpu_addr = PPUMASK) then
 224                 ppu_mask_we_n <= '0';
 225             else
 226                 ppu_mask_we_n <= '1';
 227             end if;
 228
 229             if(cpu_addr = PPUSTATUS) then
 230                 ppu_status_we_n <= '0';
 231             else
 232                 ppu_status_we_n <= '1';
 233             end if;
 234
 235             if(cpu_addr = OAMADDR) then
 236                 oam_addr_we_n <= '0';
 237             else
 238                 oam_addr_we_n <= '1';
 239             end if;
 240
 241             if(cpu_addr = OAMDATA) then
 242                 oam_data_we_n <= '0';
 243             else
 244                 oam_data_we_n <= '1';
 245             end if;
 246
 247             if(cpu_addr = PPUSCROLL) then
 248                 ppu_scroll_cnt_ce_n <= '0';
 249                 if (ppu_scroll_cnt(0) = '0') then
 250                     ppu_scroll_x_we_n <= '0';
 251                     ppu_scroll_y_we_n <= '1';
 252                 else
 253                     ppu_scroll_y_we_n <= '0';
 254                     ppu_scroll_x_we_n <= '1';
 255                 end if;
 256             else
 257                 ppu_scroll_x_we_n <= '1';
 258                 ppu_scroll_y_we_n <= '1';
 259                 ppu_scroll_cnt_ce_n <= '1';
 260             end if;
 261
 262             if(cpu_addr = PPUADDR) then
 263                 ppu_addr_cnt_ce_n <= '0';
 264                 ppu_addr_we_n <= '0';
 265                 if (ppu_addr_cnt(0) = '0') then
 266                     ppu_addr_in <= cpu_d(5 downto 0) & ppu_addr(7 downto 0);
 267                 else
 268                     ppu_addr_in <= ppu_addr(13 downto 8) & cpu_d;
 269                 end if;
 270             else
 271                 ppu_addr_cnt_ce_n <= '1';
 272                 ppu_addr_we_n <= '1';
 273             end if;
 274         else
 275             ppu_ctrl_we_n    <= '1';
 276             ppu_mask_we_n    <= '1';
 277             ppu_status_we_n  <= '1';
 278             oam_addr_we_n    <= '1';
 279             oam_data_we_n    <= '1';
 280             ppu_scroll_x_we_n    <= '1';
 281             ppu_scroll_y_we_n    <= '1';
 282             ppu_scroll_cnt_ce_n  <= '1';
 283             ppu_addr_we_n        <= '1';
 284             ppu_addr_cnt_ce_n    <= '1';
 285         end if; --if (rst_n = '1' and ce_n = '0')
 286
 287     end process;
 288
 289     --cpu and ppu clock timing adjustment...
 290     clk_cnt_set_p : process (rst_n, ce_n, r_nw, cpu_addr, cpu_d, clk, oam_plt_data, vram_ad)
 291     begin
 292         if (rst_n = '1' and ce_n = '0') then
 293             --set counter=0 on register write.
 294             if (ce_n'event or r_nw'event or cpu_addr'event or (cpu_d'event and r_nw = '0')) then
 295                 ppu_clk_cnt_res_n <= '0';
 296                 --d_print("write event");
 297             end if;
 298
 299             --start counter.
 300             if (clk'event and clk = '0') then
 301                 if (ppu_clk_cnt = "10") then
 302                     ppu_clk_cnt_res_n <= '0';
 303                 elsif (ppu_clk_cnt = "00") then
 304                     ppu_clk_cnt_res_n <= '1';
 305                 end if;
 306                 --d_print("clk event");
 307             end if;
 308
 309             --oam data set
 310             if (cpu_addr = OAMDATA and ppu_clk_cnt = "00") then
 311                 oam_bus_ce_n <= '0';
 312                 oam_plt_addr <= oam_addr;
 313                 if (r_nw = '1') then
 314                     oam_plt_data <= (others => 'Z');
 315                     cpu_d <= oam_plt_data;
 316                 else
 317                     oam_plt_data <= cpu_d;
 318                 end if;
 319                 --address increment for burst write.
 320                 oam_addr_ce_n <= '0';
 321             else
 322                 cpu_d <= (others => 'Z');
 323                 oam_addr_ce_n <= '1';
 324                 oam_bus_ce_n <= '1';
 325             end if;
 326
 327             --vram address access.
 328             if (cpu_addr = PPUADDR and ppu_clk_cnt = "00") then
 329                 if (ppu_addr_cnt(0) = '0') then
 330                     --load addr high
 331                     ale <= '0';
 332                 else
 333                     --load addr low and output vram/plt bus.
 334
 335                     --if address is 3fxx, set palette table.
 336                     if (ppu_addr(13 downto 8) = "111111") then
 337                         oam_plt_addr <= cpu_d;
 338                         ale <= '0';
 339                     else
 340                         vram_ad <= cpu_d;
 341                         vram_a <= ppu_addr(13 downto 8);
 342                         ale <= '1';
 343                     end if;
 344                 end if;
 345             elsif (cpu_addr = PPUDATA and ppu_clk_cnt = "01") then
 346                 --for burst write.
 347                 if (ppu_addr(13 downto 8) = "111111") then
 348                     oam_plt_addr <= ppu_addr(7 downto 0);
 349                     ale <= '0';
 350                 else
 351                     vram_a <= ppu_addr(13 downto 8);
 352                     vram_ad <= ppu_addr(7 downto 0);
 353                     ale <= '1';
 354                 end if;
 355             else
 356                 ale <= '0';
 357             end if;
 358
 359             if (cpu_addr = PPUDATA and ppu_clk_cnt = "00") then
 360                 ppu_data_we_n <= '0';
 361                 if (ppu_addr(13 downto 8) = "111111") then
 362                     --case palette tbl.
 363                     plt_bus_ce_n <= '0';
 364                     if (r_nw = '0') then
 365                         oam_plt_data <= cpu_d;
 366                     else
 367                         oam_plt_data <= (others => 'Z');
 368                         cpu_d <= oam_plt_data;
 369                     end if;
 370                     rd_n <= '1';
 371                     wr_n <= '1';
 372                 else
 373                     rd_n <= not r_nw;
 374                     wr_n <= r_nw;
 375                     plt_bus_ce_n <= '1';
 376                     if (r_nw = '0') then
 377                         vram_ad <= cpu_d;
 378                     else
 379                         vram_ad <= (others => 'Z');
 380                         cpu_d <= vram_ad;
 381                     end if;
 382                 end if;
 383             else
 384                 plt_bus_ce_n <= '1';
 385                 ppu_data_we_n <= '1';
 386                 rd_n <= '1';
 387                 wr_n <= '1';
 388             end if;
 389
 390             --sustain cpu output data when reading.
 391             if (cpu_addr = PPUDATA and r_nw = '1' and ppu_clk_cnt /= "00") then
 392                 cpu_d <= ppu_data;
 393             end if;
 394             if (cpu_addr = OAMDATA and r_nw = '1' and ppu_clk_cnt /= "00") then
 395                 cpu_d <= oam_data;
 396             end if;
 397
 398         else
 399             ppu_data_we_n    <= '1';
 400             plt_bus_ce_n <= '1';
 401             ppu_clk_cnt_res_n <= '0';
 402             oam_bus_ce_n     <= '1';
 403             oam_addr_ce_n <= '1';
 404
 405             rd_n <= 'Z';
 406             wr_n <= 'Z';
 407             ale <= 'Z';
 408             oam_plt_data <= (others => 'Z');
 409             vram_ad <= (others => 'Z');
 410             vram_a <= (others => 'Z');
 411             cpu_d <= (others => 'Z');
 412         end if;
 413     end process;
 414
 415 end rtl;
 416