Main.v

   1 /*
   2  * MandelFPGA
   3  * by Joshua Wise and Chris Lu
   4  *
   5  * An implementation of a pipelined algorithm to calculate the Mandelbrot set
   6  * in real time on an FPGA.
   7  */
   8
   9 `define XRES 640
  10 `define YRES 480
  11 `define WHIRRRRR 21
  12
  13 module SyncGen(
  14         input pixclk,
  15         output reg vs, hs,
  16         output reg [11:0] xout = `WHIRRRRR, yout = 0,
  17         output wire [11:0] xoutreal, youtreal,
  18         output reg border);
  19
  20         reg [11:0] x = 0, y = 0;        // Used for generating border and timing.
  21         assign xoutreal = x;
  22         assign youtreal = y;
  23
  24         parameter XFPORCH = 16;
  25         parameter XSYNC = 96;
  26         parameter XBPORCH = 48;
  27
  28         parameter YFPORCH = 10;
  29         parameter YSYNC = 2;
  30         parameter YBPORCH = 29;
  31
  32         always @(posedge pixclk)
  33         begin
  34                 if (x >= (`XRES + XFPORCH + XSYNC + XBPORCH))
  35                 begin
  36                         if (y >= (`YRES + YFPORCH + YSYNC + YBPORCH))
  37                                 y <= 0;
  38                         else
  39                                 y <= y + 1;
  40                         x <= 0;
  41                 end else
  42                         x <= x + 1;
  43
  44                 if (xout >= (`XRES + XFPORCH + XSYNC + XBPORCH))
  45                 begin
  46                         if (yout >= (`YRES + YFPORCH + YSYNC + YBPORCH))
  47                                 yout <= 0;
  48                         else
  49                                 yout <= yout + 1;
  50                         xout <= 0;
  51                 end else
  52                         xout <= xout + 1;
  53                 hs <= (x >= (`XRES + XFPORCH)) && (x < (`XRES + XFPORCH + XSYNC));
  54                 vs <= (y >= (`YRES + YFPORCH)) && (y < (`YRES + YFPORCH + YSYNC));
  55                 border <= (x > `XRES) || (y > `YRES);
  56         end
  57 endmodule
  58
  59 // bits: 1.12
  60
  61 module NaiveMultiplier(
  62         input clk,
  63         input [12:0] x, y,
  64         input xsign, ysign,
  65         output reg [12:0] out,
  66         output reg sign,
  67         output reg [1:0] ovf);
  68
  69         always @(posedge clk)
  70         begin
  71                 {ovf,out} <=
  72                         (((y[12] ? (x     ) : 0)  +
  73                           (y[11] ? (x >> 1) : 0)  +
  74                           (y[10] ? (x >> 2) : 0)  +
  75                           (y[9]  ? (x >> 3) : 0)) +
  76                          ((y[8]  ? (x >> 4) : 0)  +
  77                           (y[7]  ? (x >> 5) : 0)  +
  78                           (y[6]  ? (x >> 6) : 0)))+
  79                         (((y[5]  ? (x >> 7) : 0)  +
  80                           (y[4]  ? (x >> 8) : 0)  +
  81                           (y[3]  ? (x >> 9) : 0)) +
  82                          ((y[2]  ? (x >> 10): 0)  +
  83                           (y[1]  ? (x >> 11): 0)  +
  84                           (y[0]  ? (x >> 12): 0)));
  85                 sign <= xsign ^ ysign;
  86         end
  87
  88 endmodule
  89
  90 module Multiplier(
  91         input clk,
  92         input [11:0] x, y,
  93         input xsign, ysign,
  94         output wire [11:0] out,
  95         output wire sign,
  96         output wire [1:0] overflow);
  97
  98         NaiveMultiplier nm(clk, x, y, xsign, ysign, out, sign, overflow);
  99
 100 endmodule
 101
 102 module MandelUnit(
 103         input clk,
 104         input [12:0] x, y,
 105         input xsign, ysign,
 106         input [13:0] r, i,
 107         input rsign, isign,
 108         input [7:0] ibail, icuriter,
 109         output reg [12:0] xout, yout,
 110         output reg xsout, ysout,
 111         output reg [13:0] rout, iout,
 112         output reg rsout, isout,
 113         output reg [7:0] obail, ocuriter);
 114
 115         wire [13:0] r2, i2, ri, diff;
 116         wire r2sign, i2sign, risign, dsign;
 117         wire [16:0] bigsum;
 118         wire bigsum_ovf, rin_ovf, iin_ovf, throwaway;
 119
 120         reg [12:0] xd, yd;
 121         reg rd, id;
 122         reg xsd, ysd;
 123         reg [7:0] ibaild, curiterd;
 124
 125         assign ri[0] = 0;
 126
 127         Multiplier r2m(clk, r[12:0], r[12:0], rsign, rsign, r2[12:0], r2sign, r2[13]);
 128         Multiplier i2m(clk, i[12:0], i[12:0], isign, isign, i2[12:0], i2sign, i2[13]);
 129         Multiplier rim(clk, r[12:0], i[12:0], rsign, isign, ri[13:1], risign, throwaway);
 130
 131         assign bigsum = r2 + i2;
 132         assign bigsum_ovf = bigsum[16] | bigsum[15] | bigsum[14];
 133         assign rin_ovf = rd;
 134         assign iin_ovf = id;
 135         assign diff = (r2 > i2) ? r2 - i2 : i2 - r2;
 136         assign dsign = (r2 > i2) ? 0 : 1;
 137
 138         always @ (posedge clk)
 139         begin
 140                 xd <= x;
 141                 yd <= y;
 142                 xsd <= xsign;
 143                 ysd <= ysign;
 144                 xout <= xd;
 145                 yout <= yd;
 146                 xsout <= xsd;
 147                 ysout <= ysd;
 148                 ibaild <= ibail;
 149                 curiterd <= icuriter;
 150                 rd <= r[13];
 151                 id <= i[13];
 152
 153                 if (xsd ^ dsign) begin
 154                         if (diff > xd) begin
 155                                 rout <= diff - xd;
 156                                 rsout <= dsign;
 157                         end else begin
 158                                 rout <= xd - diff;
 159                                 rsout <= xsd;
 160                         end
 161                 end else begin
 162                         rout <= diff + xd;
 163                         rsout <= xsd;
 164                 end
 165
 166                 if (ysd ^ risign) begin
 167                         if (ri > yd) begin
 168                                 iout <= ri - yd;
 169                                 isout <= risign;
 170                         end else begin
 171                                 iout <= yd - ri;
 172                                 isout <= ysd;
 173                         end
 174                 end else begin
 175                         iout <= ri + yd;
 176                         isout <= ysd;
 177                 end
 178
 179                 // If we haven't bailed out, and we meet any of the bailout conditions,
 180                 // bail out now.  Otherwise, leave the bailout at whatever it was before.
 181                 if ((ibaild == 255) && (bigsum_ovf | rin_ovf | iin_ovf))
 182                         obail <= curiterd;
 183                 else
 184                         obail <= ibaild;
 185                 ocuriter <= curiterd + 8'b1;
 186         end
 187
 188 endmodule
 189
 190 module Mandelbrot(
 191         input mclk,
 192         input pixclk,
 193         input [11:0] x, y,
 194         input [12:0] xofs, yofs,
 195         input [7:0] colorofs,
 196         input [2:0] scale,
 197         output reg [2:0] red, green, output reg [1:0] blue);
 198
 199         wire [12:0] rx, ry;
 200         wire [13:0] nx, ny;
 201         wire rxsign, rysign;
 202
 203         assign nx = x + xofs;
 204         assign ny = y + yofs;
 205         assign rx = (nx[13] ? -nx[12:0] : nx[12:0]) << scale;
 206         assign rxsign = nx[13];
 207         assign ry = (ny[13] ? -ny[12:0] : ny[12:0]) << scale;
 208         assign rysign = ny[13];
 209
 210
 211         wire [13:0] mr[9:0], mi[9:0];
 212         wire mrs[9:0], mis[9:0];
 213         wire [7:0] mb[9:0];
 214         wire [12:0] xprop[9:0], yprop[9:0];
 215         wire xsprop[9:0], ysprop[9:0];
 216         wire [7:0] curiter[9:0];
 217
 218         wire [13:0] initx, inity, initr, initi;
 219         wire [7:0] initci, initb;
 220         wire initxs, initys, initrs, initis;
 221
 222         reg [13:0] loopx, loopy, loopr, loopi;
 223         reg [7:0] loopci, loopb;
 224         reg loopxs, loopys, looprs, loopis;
 225
 226         reg state = 0;
 227
 228         // On pixclk = 1,
 229         //    A new value to be loaded comes in, and a value in need of loopback comes out.
 230         // On pixclk = 0,
 231         //    A new value in need of loopback comes in, and a completed value comes out.
 232
 233         assign initx = state ? rx : loopx;
 234         assign inity = state ? ry : loopy;
 235         assign initr = state ? rx : loopr;
 236         assign initi = state ? ry : loopi;
 237         assign initxs = state ? rxsign : loopxs;
 238         assign initys = state ? rysign : loopys;
 239         assign initrs = state ? rxsign : looprs;
 240         assign initis = state ? rysign : loopis;
 241         assign initb = state ? 8'b11111111 : loopb;
 242         assign initci = state ? 8'b00000000 : loopci;
 243
 244         reg [7:0] out;
 245         reg pixclksync;
 246         always @(negedge mclk)
 247                 pixclksync <= ~pixclk;
 248
 249         always @(posedge mclk)
 250         begin
 251                 if (!state) begin
 252                         out <= ~mb[9] + colorofs;
 253                 end else begin
 254                         {red, green, blue} <= {out[0],out[3],out[6],out[1],out[4],out[7],out[2],out[5]};
 255                         loopx <= xprop[9];
 256                         loopy <= yprop[9];
 257                         loopr <= mr[9];
 258                         loopi <= mi[9];
 259                         loopxs <= xsprop[9];
 260                         loopys <= ysprop[9];
 261                         looprs <= mrs[9];
 262                         loopis <= mis[9];
 263                         loopb <= mb[9];
 264                         loopci <= curiter[9];
 265                 end
 266                 state <= ~pixclksync;
 267         end
 268
 269         MandelUnit mu0(
 270                 mclk,
 271                 initx, inity, initxs, initys,
 272                 initr, initi, initrs, initis,
 273                 initb, initci,
 274                 xprop[0], yprop[0], xsprop[0], ysprop[0],
 275                 mr[0], mi[0], mrs[0], mis[0],
 276                 mb[0], curiter[0]);
 277
 278         MandelUnit mu1(mclk,
 279                 xprop[0], yprop[0], xsprop[0], ysprop[0], mr[0], mi[0], mrs[0], mis[0], mb[0], curiter[0],
 280                 xprop[1], yprop[1], xsprop[1], ysprop[1], mr[1], mi[1], mrs[1], mis[1], mb[1], curiter[1]);
 281         MandelUnit mu2(mclk,
 282                 xprop[1], yprop[1], xsprop[1], ysprop[1], mr[1], mi[1], mrs[1], mis[1], mb[1], curiter[1],
 283                 xprop[2], yprop[2], xsprop[2], ysprop[2], mr[2], mi[2], mrs[2], mis[2], mb[2], curiter[2]);
 284         MandelUnit mu3(mclk,
 285                 xprop[2], yprop[2], xsprop[2], ysprop[2], mr[2], mi[2], mrs[2], mis[2], mb[2], curiter[2],
 286                 xprop[3], yprop[3], xsprop[3], ysprop[3], mr[3], mi[3], mrs[3], mis[3], mb[3], curiter[3]);
 287         MandelUnit mu4(mclk,
 288                 xprop[3], yprop[3], xsprop[3], ysprop[3], mr[3], mi[3], mrs[3], mis[3], mb[3], curiter[3],
 289                 xprop[4], yprop[4], xsprop[4], ysprop[4], mr[4], mi[4], mrs[4], mis[4], mb[4], curiter[4]);
 290         MandelUnit mu5(mclk,
 291                 xprop[4], yprop[4], xsprop[4], ysprop[4], mr[4], mi[4], mrs[4], mis[4], mb[4], curiter[4],
 292                 xprop[5], yprop[5], xsprop[5], ysprop[5], mr[5], mi[5], mrs[5], mis[5], mb[5], curiter[5]);
 293         MandelUnit mu6(mclk,
 294                 xprop[5], yprop[5], xsprop[5], ysprop[5], mr[5], mi[5], mrs[5], mis[5], mb[5], curiter[5],
 295                 xprop[6], yprop[6], xsprop[6], ysprop[6], mr[6], mi[6], mrs[6], mis[6], mb[6], curiter[6]);
 296         MandelUnit mu7(mclk,
 297                 xprop[6], yprop[6], xsprop[6], ysprop[6], mr[6], mi[6], mrs[6], mis[6], mb[6], curiter[6],
 298                 xprop[7], yprop[7], xsprop[7], ysprop[7], mr[7], mi[7], mrs[7], mis[7], mb[7], curiter[7]);
 299         MandelUnit mu8(mclk,
 300                 xprop[7], yprop[7], xsprop[7], ysprop[7], mr[7], mi[7], mrs[7], mis[7], mb[7], curiter[7],
 301                 xprop[8], yprop[8], xsprop[8], ysprop[8], mr[8], mi[8], mrs[8], mis[8], mb[8], curiter[8]);
 302         MandelUnit mu9(mclk,
 303                 xprop[8], yprop[8], xsprop[8], ysprop[8], mr[8], mi[8], mrs[8], mis[8], mb[8], curiter[8],
 304                 xprop[9], yprop[9], xsprop[9], ysprop[9], mr[9], mi[9], mrs[9], mis[9], mb[9], curiter[9]);
 305
 306 endmodule
 307
 308 module Logo(
 309         input pixclk,
 310         input [11:0] x, y,
 311         output wire enb,
 312         output wire [2:0] red, green, output wire [1:0] blue);
 313
 314         reg [1:0] logo[8191:0];
 315         initial $readmemb("logo.readmemb", logo);
 316
 317         assign enb = (x < 96) && (y < 64);
 318         wire [12:0] addr = {y[5:0], x[6:0]};
 319         wire [1:0] data = logo[addr];
 320         assign {red, green, blue} =
 321                  (data == 2'b00) ? 8'b00000000 :
 322                 ((data == 2'b01) ? 8'b00011100 :
 323                 ((data == 2'b10) ? 8'b11100000 :
 324                                     8'b11111111));
 325 endmodule
 326
 327 module MandelTop(
 328         input gclk, output wire dcmok,
 329         output wire vs, hs,
 330         output wire [2:0] red, green, output [1:0] blue,
 331         input left, right, up, down, rst, cycle, logooff,
 332         input [2:0] scale);
 333
 334         wire border;
 335         wire pixclk;
 336         wire [7:0] zero = 8'b0;
 337         wire clk;
 338         wire [11:0] x, y;
 339         reg [12:0] xofs = -`XRES/2, yofs = -`YRES/2;
 340         reg [5:0] slowctr = 0;
 341         reg [7:0] colorcycle = 0;
 342         wire [11:0] realx, realy;
 343
 344         wire logoenb;
 345         wire [2:0] mandelr, mandelg, logor, logog;
 346         wire [1:0] mandelb, logob;
 347
 348         pixDCM dcm(                                     // CLKIN is 50MHz xtal, CLKFX_OUT is 25MHz
 349                 .CLKIN_IN(gclk),
 350                 .CLKFX_OUT(pixclk),
 351                 .CLKIN_IBUFG_OUT(clk),
 352                 .LOCKED_OUT(dcmok)
 353                 );
 354
 355         SyncGen sync(pixclk, vs, hs, x, y, realx, realy, border);
 356         Mandelbrot mandel(clk, pixclk, x, y, xofs, yofs, cycle ? colorcycle : 0, scale, mandelr, mandelg, mandelb);
 357         Logo logo(pixclk, realx, realy, logoenb, logor, logog, logob);
 358
 359         assign {red,green,blue} =
 360                 border ? 8'b00000000 :
 361                 (!logooff && logoenb) ? {logor, logog, logob} : {mandelr, mandelg, mandelb};
 362
 363         always @(posedge vs)
 364         begin
 365                 if (rst)
 366                 begin
 367                         xofs <= -`XRES/2;
 368                         yofs <= -`YRES/2;
 369                         colorcycle <= 0;
 370                 end else begin
 371                         if (up) yofs <= yofs + 1;
 372                         else if (down) yofs <= yofs - 1;
 373
 374                         if (left) xofs <= xofs + 1;
 375                         else if (right) xofs <= xofs - 1;
 376
 377                         if (slowctr == 0)
 378                                 colorcycle <= colorcycle + 1;
 379                 end
 380
 381                 if (slowctr == 12)
 382                         slowctr <= 0;
 383                 else
 384                         slowctr <= slowctr + 1;
 385         end
 386 endmodule