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 27
  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 [12:0] x, y,
  93         input xsign, ysign,
  94         output wire [12:0] 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 [14:0] 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 [14:0] rout, iout,
 112         output reg rsout, isout,
 113         output reg [7:0] obail, ocuriter);
 114
 115         wire [14:0] r2, i2, ri, diff;
 116         wire [15:0] twocdiff;
 117         wire r2sign, i2sign, risign, dsign;
 118         wire [16:0] bigsum;
 119         wire bigsum_ovf, rin_ovf, iin_ovf, throwaway;
 120
 121         reg [12:0] xd, yd;
 122         reg rd, id;
 123         reg xsd, ysd;
 124         reg [7:0] ibaild, curiterd;
 125
 126         assign ri[0] = 0;
 127
 128         Multiplier r2m(clk, r[12:0], r[12:0], rsign, rsign, r2[12:0], r2sign, r2[14:13]);
 129         Multiplier i2m(clk, i[12:0], i[12:0], isign, isign, i2[12:0], i2sign, i2[14:13]);
 130         Multiplier rim(clk, r[12:0], i[12:0], rsign, isign, ri[13:1], risign, {throwaway,ri[14]});
 131
 132         assign bigsum = r2 + i2;
 133         assign bigsum_ovf = bigsum[16] | bigsum[15] | bigsum[14];
 134         assign rin_ovf = rd;
 135         assign iin_ovf = id;
 136         assign twocdiff = r2 - i2;
 137         assign diff = twocdiff[15] ? -twocdiff : twocdiff;
 138         assign dsign = twocdiff[15];
 139
 140         always @ (posedge clk)
 141         begin
 142                 xd <= x;
 143                 yd <= y;
 144                 xsd <= xsign;
 145                 ysd <= ysign;
 146                 xout <= xd;
 147                 yout <= yd;
 148                 xsout <= xsd;
 149                 ysout <= ysd;
 150                 ibaild <= ibail;
 151                 curiterd <= icuriter;
 152                 rd <= r[13] | r[14];
 153                 id <= i[13] | i[14];
 154
 155                 if (xsd ^ dsign) begin
 156                         if (diff > xd) begin
 157                                 rout <= diff - xd;
 158                                 rsout <= dsign;
 159                         end else begin
 160                                 rout <= xd - diff;
 161                                 rsout <= xsd;
 162                         end
 163                 end else begin
 164                         rout <= diff + xd;
 165                         rsout <= xsd;
 166                 end
 167
 168                 if (ysd ^ risign) begin
 169                         if (ri > yd) begin
 170                                 iout <= ri - yd;
 171                                 isout <= risign;
 172                         end else begin
 173                                 iout <= yd - ri;
 174                                 isout <= ysd;
 175                         end
 176                 end else begin
 177                         iout <= ri + yd;
 178                         isout <= ysd;
 179                 end
 180
 181                 // If we haven't bailed out, and we meet any of the bailout conditions,
 182                 // bail out now.  Otherwise, leave the bailout at whatever it was before.
 183                 if ((ibaild == 255) && (bigsum_ovf | rin_ovf | iin_ovf))
 184                         obail <= curiterd;
 185                 else
 186                         obail <= ibaild;
 187                 ocuriter <= curiterd + 8'b1;
 188         end
 189
 190 endmodule
 191
 192 module Mandelbrot(
 193         input mclk,
 194         input pixclk,
 195         input [11:0] x, y,
 196         input [13:0] xofs, yofs,
 197         input [7:0] colorofs,
 198         input [2:0] scale,
 199         output reg [2:0] red, green, output reg [1:0] blue);
 200
 201 `define MAXOUTN 11
 202
 203         wire [12:0] rx, ry;
 204         wire [13:0] nx, ny;
 205         wire rxsign, rysign;
 206
 207         assign nx = x + xofs;
 208         assign ny = y + yofs;
 209         assign rx = (nx[13] ? -nx[12:0] : nx[12:0]) << scale;
 210         assign rxsign = nx[13];
 211         assign ry = (ny[13] ? -ny[12:0] : ny[12:0]) << scale;
 212         assign rysign = ny[13];
 213
 214
 215         wire [14:0] mr[`MAXOUTN:0], mi[`MAXOUTN:0];
 216         wire mrs[`MAXOUTN:0], mis[`MAXOUTN:0];
 217         wire [7:0] mb[`MAXOUTN:0];
 218         wire [12:0] xprop[`MAXOUTN:0], yprop[`MAXOUTN:0];
 219         wire xsprop[`MAXOUTN:0], ysprop[`MAXOUTN:0];
 220         wire [7:0] curiter[`MAXOUTN:0];
 221
 222         wire [14:0] initx, inity, initr, initi;
 223         wire [7:0] initci, initb;
 224         wire initxs, initys, initrs, initis;
 225
 226         // Values after the number of iterations denoted by the subscript.
 227         reg [14:0] stagex [2:1], stagey [2:1], stager [2:1], stagei [2:1];
 228         reg [7:0] stageci [2:1], stageb [2:1];
 229         reg stagexs [2:1], stageys [2:1], stagers [2:1], stageis [2:1];
 230
 231         reg [2:0] state = 3'b001;       // One-hot encoded state.
 232
 233         assign initx = state[0] ? rx :
 234                        state[1] ? stagex[1] :
 235                        stagex[2];
 236         assign inity = state[0] ? ry :
 237                        state[1] ? stagey[1] :
 238                        stagey[2];
 239         assign initr = state[0] ? rx :
 240                        state[1] ? stager[1] :
 241                        stager[2];
 242         assign initi = state[0] ? ry :
 243                        state[1] ? stagei[1] :
 244                        stagei[2];
 245         assign initxs = state[0] ? rxsign :
 246                         state[1] ? stagexs[1] :
 247                         stagexs[2];
 248         assign initys = state[0] ? rysign :
 249                         state[1] ? stageys[1] :
 250                         stageys[2];
 251         assign initrs = state[0] ? rxsign :
 252                         state[1] ? stagers[1] :
 253                         stagers[2];
 254         assign initis = state[0] ? rysign :
 255                         state[1] ? stageis[1] :
 256                         stageis[2];
 257         assign initb = state[0] ? 8'b11111111 :
 258                        state[1] ? stageb[1] :
 259                        stageb[2];
 260         assign initci = state[0] ? 8'b00000000 :
 261                         state[1] ? stageci[1] :
 262                         stageci[2];
 263
 264         reg [7:0] out;
 265
 266         // We detect when the state should be poked by a high negedge followed
 267         // by a high posedge -- if tha thappens, then we're guaranteed that the
 268         // state following the current state will be 100.
 269         reg lastneg;
 270         always @(negedge mclk)
 271                 lastneg <= pixclk;
 272
 273         always @(posedge mclk)
 274         begin
 275                 if (lastneg && pixclk)  // If a pixclk has happened, the state should be reset.
 276                         state <= 3'b100;
 277                 else                                            // Otherwise, just poke it forward.
 278                         state <= {state[1], state[0], state[2]};
 279
 280                 // Data output handling
 281                 if (state[0]) begin
 282                         {red, green, blue} <= {out[0],out[3],out[6],out[1],out[4],out[7],out[2],out[5]};
 283                 end
 284                 if (state[1]) begin
 285                         out <= ~mb[`MAXOUTN] + colorofs;
 286                 end
 287
 288                 if (state[0]) begin             // PnR0 in, PnR2 out
 289                         stagex[2] <= xprop[`MAXOUTN];
 290                         stagey[2] <= yprop[`MAXOUTN];
 291                         stager[2] <= mr[`MAXOUTN];
 292                         stagei[2] <= mi[`MAXOUTN];
 293                         stagexs[2] <= xsprop[`MAXOUTN];
 294                         stageys[2] <= ysprop[`MAXOUTN];
 295                         stagers[2] <= mrs[`MAXOUTN];
 296                         stageis[2] <= mis[`MAXOUTN];
 297                         stageb[2] <= mb[`MAXOUTN];
 298                         stageci[2] <= curiter[`MAXOUTN];
 299                 end
 300
 301                 if (state[2]) begin     // PnR2 in, PnR1 out
 302                         stagex[1] <= xprop[`MAXOUTN];
 303                         stagey[1] <= yprop[`MAXOUTN];
 304                         stager[1] <= mr[`MAXOUTN];
 305                         stagei[1] <= mi[`MAXOUTN];
 306                         stagexs[1] <= xsprop[`MAXOUTN];
 307                         stageys[1] <= ysprop[`MAXOUTN];
 308                         stagers[1] <= mrs[`MAXOUTN];
 309                         stageis[1] <= mis[`MAXOUTN];
 310                         stageb[1] <= mb[`MAXOUTN];
 311                         stageci[1] <= curiter[`MAXOUTN];
 312                 end
 313         end
 314
 315         MandelUnit mu0(
 316                 mclk,
 317                 initx, inity, initxs, initys,
 318                 initr, initi, initrs, initis,
 319                 initb, initci,
 320                 xprop[0], yprop[0], xsprop[0], ysprop[0],
 321                 mr[0], mi[0], mrs[0], mis[0],
 322                 mb[0], curiter[0]);
 323
 324         MandelUnit mu1(mclk,
 325                 xprop[0], yprop[0], xsprop[0], ysprop[0], mr[0], mi[0], mrs[0], mis[0], mb[0], curiter[0],
 326                 xprop[1], yprop[1], xsprop[1], ysprop[1], mr[1], mi[1], mrs[1], mis[1], mb[1], curiter[1]);
 327         MandelUnit mu2(mclk,
 328                 xprop[1], yprop[1], xsprop[1], ysprop[1], mr[1], mi[1], mrs[1], mis[1], mb[1], curiter[1],
 329                 xprop[2], yprop[2], xsprop[2], ysprop[2], mr[2], mi[2], mrs[2], mis[2], mb[2], curiter[2]);
 330         MandelUnit mu3(mclk,
 331                 xprop[2], yprop[2], xsprop[2], ysprop[2], mr[2], mi[2], mrs[2], mis[2], mb[2], curiter[2],
 332                 xprop[3], yprop[3], xsprop[3], ysprop[3], mr[3], mi[3], mrs[3], mis[3], mb[3], curiter[3]);
 333         MandelUnit mu4(mclk,
 334                 xprop[3], yprop[3], xsprop[3], ysprop[3], mr[3], mi[3], mrs[3], mis[3], mb[3], curiter[3],
 335                 xprop[4], yprop[4], xsprop[4], ysprop[4], mr[4], mi[4], mrs[4], mis[4], mb[4], curiter[4]);
 336         MandelUnit mu5(mclk,
 337                 xprop[4], yprop[4], xsprop[4], ysprop[4], mr[4], mi[4], mrs[4], mis[4], mb[4], curiter[4],
 338                 xprop[5], yprop[5], xsprop[5], ysprop[5], mr[5], mi[5], mrs[5], mis[5], mb[5], curiter[5]);
 339         MandelUnit mu6(mclk,
 340                 xprop[5], yprop[5], xsprop[5], ysprop[5], mr[5], mi[5], mrs[5], mis[5], mb[5], curiter[5],
 341                 xprop[6], yprop[6], xsprop[6], ysprop[6], mr[6], mi[6], mrs[6], mis[6], mb[6], curiter[6]);
 342         MandelUnit mu7(mclk,
 343                 xprop[6], yprop[6], xsprop[6], ysprop[6], mr[6], mi[6], mrs[6], mis[6], mb[6], curiter[6],
 344                 xprop[7], yprop[7], xsprop[7], ysprop[7], mr[7], mi[7], mrs[7], mis[7], mb[7], curiter[7]);
 345         MandelUnit mu8(mclk,
 346                 xprop[7], yprop[7], xsprop[7], ysprop[7], mr[7], mi[7], mrs[7], mis[7], mb[7], curiter[7],
 347                 xprop[8], yprop[8], xsprop[8], ysprop[8], mr[8], mi[8], mrs[8], mis[8], mb[8], curiter[8]);
 348         MandelUnit mu9(mclk,
 349                 xprop[8], yprop[8], xsprop[8], ysprop[8], mr[8], mi[8], mrs[8], mis[8], mb[8], curiter[8],
 350                 xprop[9], yprop[9], xsprop[9], ysprop[9], mr[9], mi[9], mrs[9], mis[9], mb[9], curiter[9]);
 351         MandelUnit mua(mclk,
 352                 xprop[9],  yprop[9],  xsprop[9],  ysprop[9],  mr[9],  mi[9],  mrs[9],  mis[9],  mb[9], curiter[9],
 353                 xprop[10], yprop[10], xsprop[10], ysprop[10], mr[10], mi[10], mrs[10], mis[10], mb[10], curiter[10]);
 354         MandelUnit mub(mclk,
 355                 xprop[10], yprop[10], xsprop[10], ysprop[10], mr[10], mi[10], mrs[10], mis[10], mb[10], curiter[10],
 356                 xprop[11], yprop[11], xsprop[11], ysprop[11], mr[11], mi[11], mrs[11], mis[11], mb[11], curiter[11]);
 357
 358 endmodule
 359
 360 module Logo(
 361         input pixclk,
 362         input [11:0] x, y,
 363         output wire enb,
 364         output wire [2:0] red, green, output wire [1:0] blue);
 365
 366         reg [1:0] logo[8191:0];
 367         initial $readmemb("logo.readmemb", logo);
 368
 369         assign enb = (x < 96) && (y < 64);
 370         wire [12:0] addr = {y[5:0], x[6:0]};
 371         wire [1:0] data = logo[addr];
 372         assign {red, green, blue} =
 373                  (data == 2'b00) ? 8'b00000000 :
 374                 ((data == 2'b01) ? 8'b00011100 :
 375                 ((data == 2'b10) ? 8'b11100000 :
 376                                     8'b11111111));
 377 endmodule
 378
 379 module MandelTop(
 380         input gclk, output wire dcmok,
 381         output wire vs, hs,
 382         output wire [2:0] red, green, output [1:0] blue,
 383         input left, right, up, down, rst, cycle, logooff,
 384         input [2:0] scale);
 385
 386
 387         wire pixclk, mclk, gclk2, clk;
 388         wire dcm1ok, dcm2ok;
 389         assign dcmok = dcm1ok && dcm2ok;
 390
 391         IBUFG typeA(.O(clk), .I(gclk));
 392
 393         pixDCM dcm(                                     // CLKIN is 50MHz xtal, CLKFX_OUT is 25MHz
 394                 .CLKIN_IN(clk),
 395                 .CLKFX_OUT(pixclk),
 396                 .LOCKED_OUT(dcm1ok)
 397                 );
 398
 399         mandelDCM dcm2(
 400                 .CLKIN_IN(clk),
 401                 .CLKFX_OUT(mclk),
 402                 .LOCKED_OUT(dcm2ok)
 403                 );
 404
 405         wire border;
 406         wire [11:0] x, y;
 407         reg [13:0] xofs = -`XRES/2, yofs = -`YRES/2;
 408         reg [5:0] slowctr = 0;
 409         reg [7:0] colorcycle = 0;
 410         wire [11:0] realx, realy;
 411
 412         wire logoenb;
 413         wire [2:0] mandelr, mandelg, logor, logog;
 414         wire [1:0] mandelb, logob;
 415
 416
 417
 418         SyncGen sync(pixclk, vs, hs, x, y, realx, realy, border);
 419         Mandelbrot mandel(mclk, pixclk, x, y, xofs, yofs, cycle ? colorcycle : 0, scale, mandelr, mandelg, mandelb);
 420         Logo logo(pixclk, realx, realy, logoenb, logor, logog, logob);
 421
 422         assign {red,green,blue} =
 423                 border ? 8'b00000000 :
 424                 (!logooff && logoenb) ? {logor, logog, logob} : {mandelr, mandelg, mandelb};
 425
 426         always @(posedge vs)
 427         begin
 428                 if (rst)
 429                 begin
 430                         xofs <= -`XRES/2;
 431                         yofs <= -`YRES/2;
 432                         colorcycle <= 0;
 433                 end else begin
 434                         if (up) yofs <= yofs + 1;
 435                         else if (down) yofs <= yofs - 1;
 436
 437                         if (left) xofs <= xofs + 1;
 438                         else if (right) xofs <= xofs - 1;
 439
 440                         if (slowctr == 0)
 441                                 colorcycle <= colorcycle + 1;
 442                 end
 443
 444                 if (slowctr == 12)
 445                         slowctr <= 0;
 446                 else
 447                         slowctr <= slowctr + 1;
 448         end
 449 endmodule