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 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
  80                         (((y[5]  ? (x >> 7) : 0)  +
  81                           (y[4]  ? (x >> 8) : 0)+
  82                           (y[3]  ? (x >> 9) : 0)) +
  83                          ((y[2]  ? (x >> 10): 0) +
  84                           (y[1]  ? (x >> 11): 0)  +
  85                           (y[0]  ? (x >> 12): 0)));
  86                 sign <= xsign ^ ysign;
  87         end
  88
  89 endmodule
  90
  91 module Multiplier(
  92         input clk,
  93         input [12:0] x, y,
  94         input xsign, ysign,
  95         output wire [12:0] out,
  96         output wire sign,
  97         output wire overflow);
  98
  99         NaiveMultiplier nm(clk, x, y, xsign, ysign, out, sign, overflow);
 100
 101 endmodule
 102
 103 // Yuq.
 104 module MandelUnit(
 105         input clk,
 106         input [12:0] x, y,
 107         input xsign, ysign,
 108         input [14:0] r, i,
 109         input rsign, isign,
 110         input [7:0] ibail, icuriter,
 111         output reg [12:0] xout, yout,
 112         output reg xsout, ysout,
 113         output reg [14:0] rout, iout,
 114         output reg rsout, isout,
 115         output reg [7:0] obail, ocuriter);
 116
 117         wire [14:0] r2, i2, ri, diff;
 118         wire [15:0] twocdiff;
 119         wire r2sign, i2sign, risign, dsign;
 120         wire [15:0] bigsum;
 121         wire bigsum_ovf, rin_ovf, iin_ovf, throwaway;
 122
 123         reg [12:0] xd, yd;
 124         reg rd, id;
 125         reg xsd, ysd;
 126         reg [7:0] ibaild, curiterd;
 127
 128         assign ri[0] = 0;
 129
 130         Multiplier r2m(clk, r[12:0], r[12:0], rsign, rsign, r2[12:0], r2sign, r2[13]);
 131         Multiplier i2m(clk, i[12:0], i[12:0], isign, isign, i2[12:0], i2sign, i2[13]);
 132         Multiplier rim(clk, r[12:0], i[12:0], rsign, isign, ri[13:1], risign, ri[14]);
 133
 134         assign bigsum = r2 + i2;
 135         assign bigsum_ovf = bigsum[15] | bigsum[14];
 136         assign rin_ovf = rd;
 137         assign iin_ovf = id;
 138         assign twocdiff = r2 - i2;
 139         assign diff = twocdiff[15] ? -twocdiff : twocdiff;
 140         assign dsign = twocdiff[15];
 141
 142         always @ (posedge clk)
 143         begin
 144                 xd <= x;
 145                 yd <= y;
 146                 xsd <= xsign;
 147                 ysd <= ysign;
 148                 xout <= xd;
 149                 yout <= yd;
 150                 xsout <= xsd;
 151                 ysout <= ysd;
 152                 ibaild <= ibail;
 153                 curiterd <= icuriter;
 154                 rd <= r[13] | r[14];
 155                 id <= i[13] | i[14];
 156
 157                 if (xsd ^ dsign) begin
 158                         if (diff > xd) begin
 159                                 rout <= diff - xd;
 160                                 rsout <= dsign;
 161                         end else begin
 162                                 rout <= xd - diff;
 163                                 rsout <= xsd;
 164                         end
 165                 end else begin
 166                         rout <= diff + xd;
 167                         rsout <= xsd;
 168                 end
 169
 170                 if (ysd ^ risign) begin
 171                         if (ri > yd) begin
 172                                 iout <= ri - yd;
 173                                 isout <= risign;
 174                         end else begin
 175                                 iout <= yd - ri;
 176                                 isout <= ysd;
 177                         end
 178                 end else begin
 179                         iout <= ri + yd;
 180                         isout <= ysd;
 181                 end
 182
 183                 // If we haven't bailed out, and we meet any of the bailout conditions,
 184                 // bail out now.  Otherwise, leave the bailout at whatever it was before.
 185                 if ((ibaild == 255) && (bigsum_ovf | rin_ovf | iin_ovf))
 186                         obail <= curiterd;
 187                 else
 188                         obail <= ibaild;
 189                 ocuriter <= curiterd + 8'b1;
 190         end
 191
 192 endmodule
 193
 194 module Mandelbrot(
 195         input mclk,
 196         input pixclk,
 197         input [11:0] x, y,
 198         input [13:0] xofs, yofs,
 199         input [7:0] colorofs,
 200         input [2:0] scale,
 201         output reg [2:0] red, green, output reg [1:0] blue);
 202
 203 `define MAXOUTN 11
 204
 205         wire [12:0] rx, ry;
 206         wire [13:0] nx, ny;
 207         wire rxsign, rysign;
 208
 209         assign nx = x + xofs;
 210         assign ny = y + yofs;
 211         assign rx = (nx[13] ? -nx[12:0] : nx[12:0]) << scale;
 212         assign rxsign = nx[13];
 213         assign ry = (ny[13] ? -ny[12:0] : ny[12:0]) << scale;
 214         assign rysign = ny[13];
 215
 216         wire [14:0] mr[`MAXOUTN:0], mi[`MAXOUTN:0];
 217         wire mrs[`MAXOUTN:0], mis[`MAXOUTN:0];
 218         wire [7:0] mb[`MAXOUTN:0];
 219         wire [12:0] xprop[`MAXOUTN:0], yprop[`MAXOUTN:0];
 220         wire xsprop[`MAXOUTN:0], ysprop[`MAXOUTN:0];
 221         wire [7:0] curiter[`MAXOUTN:0];
 222
 223         wire [14:0] initx, inity, initr, initi;
 224         wire [7:0] initci, initb;
 225         wire initxs, initys, initrs, initis;
 226
 227         // Values after the number of iterations denoted by the subscript.
 228         reg [14:0] stagex [2:1], stagey [2:1], stager [2:1], stagei [2:1];
 229         reg [7:0] stageci [2:1], stageb [2:1];
 230         reg stagexs [2:1], stageys [2:1], stagers [2:1], stageis [2:1];
 231
 232         reg [2:0] state = 3'b001;       // One-hot encoded state.
 233
 234         assign initx = (state[0]) ? rx :
 235                        (state[1]) ? stagex[1] :
 236                        (state[2]) ? stagex[2] : 0;
 237         assign inity = (state[0]) ? ry :
 238                        (state[1]) ? stagey[1] :
 239                        (state[2]) ? stagey[2] : 0;
 240         assign initr = (state[0]) ? rx :
 241                        (state[1]) ? stager[1] :
 242                        (state[2]) ? stager[2] : 0;
 243         assign initi = (state[0]) ? ry :
 244                        (state[1]) ? stagei[1] :
 245                        (state[2]) ? stagei[2] : 0;
 246         assign initxs = (state[0]) ? rxsign :
 247                         (state[1]) ? stagexs[1] :
 248                         (state[2]) ? stagexs[2] : 0;
 249         assign initys = (state[0]) ? rysign :
 250                         (state[1]) ? stageys[1] :
 251                         (state[2]) ? stageys[2] : 0;
 252         assign initrs = (state[0]) ? rxsign :
 253                         (state[1]) ? stagers[1] :
 254                         (state[2]) ? stagers[2] : 0;
 255         assign initis = (state[0]) ? rysign :
 256                         (state[1]) ? stageis[1] :
 257                         (state[2]) ? stageis[2] : 0;
 258         assign initb = (state[0]) ? 8'b11111111 :
 259                        (state[1]) ? stageb[1] :
 260                        (state[2]) ? stageb[2] : 0;
 261         assign initci = (state[0]) ? 8'b00000000 :
 262                         (state[1]) ? stageci[1] :
 263                         (state[2]) ? stageci[2] : 0;
 264
 265         reg [7:0] out;
 266
 267         // We detect when the state should be poked by a high negedge followed
 268         // by a high posedge -- if that happens, then we're guaranteed that the
 269         // state following the current state will be 3'b100.
 270         reg lastneg;
 271         always @(negedge mclk)
 272                 lastneg <= pixclk;
 273
 274         always @(posedge mclk)
 275         begin
 276                 if (lastneg && pixclk)  // If a pixclk has happened, the state should be reset.
 277                         state <= 3'b100;
 278                 else                                            // Otherwise, just poke it forward.
 279                         case(state)
 280                         3'b001: state <= 3'b010;
 281                         3'b010: state <= 3'b100;
 282                         3'b100: state <= 3'b001;
 283                         endcase
 284
 285                 // Data output handling
 286                 if (state[0]) begin
 287                         {red, green, blue} <= {out[0],out[3],out[6],out[1],out[4],out[7],out[2],out[5]};
 288                 end
 289                 if (state[1]) begin
 290                         out <= ~mb[`MAXOUTN] + colorofs;
 291                 end
 292
 293                 if (state[0]) begin             // PnR0 in, PnR2 out
 294                         stagex[2] <= xprop[`MAXOUTN];
 295                         stagey[2] <= yprop[`MAXOUTN];
 296                         stager[2] <= mr[`MAXOUTN];
 297                         stagei[2] <= mi[`MAXOUTN];
 298                         stagexs[2] <= xsprop[`MAXOUTN];
 299                         stageys[2] <= ysprop[`MAXOUTN];
 300                         stagers[2] <= mrs[`MAXOUTN];
 301                         stageis[2] <= mis[`MAXOUTN];
 302                         stageb[2] <= mb[`MAXOUTN];
 303                         stageci[2] <= curiter[`MAXOUTN];
 304                 end
 305
 306                 if (state[2]) begin     // PnR2 in, PnR1 out
 307                         stagex[1] <= xprop[`MAXOUTN];
 308                         stagey[1] <= yprop[`MAXOUTN];
 309                         stager[1] <= mr[`MAXOUTN];
 310                         stagei[1] <= mi[`MAXOUTN];
 311                         stagexs[1] <= xsprop[`MAXOUTN];
 312                         stageys[1] <= ysprop[`MAXOUTN];
 313                         stagers[1] <= mrs[`MAXOUTN];
 314                         stageis[1] <= mis[`MAXOUTN];
 315                         stageb[1] <= mb[`MAXOUTN];
 316                         stageci[1] <= curiter[`MAXOUTN];
 317                 end
 318         end
 319
 320         MandelUnit mu0(
 321                 mclk,
 322                 initx, inity, initxs, initys,
 323                 initr, initi, initrs, initis,
 324                 initb, initci,
 325                 xprop[0], yprop[0], xsprop[0], ysprop[0],
 326                 mr[0], mi[0], mrs[0], mis[0],
 327                 mb[0], curiter[0]);
 328
 329         MandelUnit mu1(mclk,
 330                 xprop[0], yprop[0], xsprop[0], ysprop[0], mr[0], mi[0], mrs[0], mis[0], mb[0], curiter[0],
 331                 xprop[1], yprop[1], xsprop[1], ysprop[1], mr[1], mi[1], mrs[1], mis[1], mb[1], curiter[1]);
 332         MandelUnit mu2(mclk,
 333                 xprop[1], yprop[1], xsprop[1], ysprop[1], mr[1], mi[1], mrs[1], mis[1], mb[1], curiter[1],
 334                 xprop[2], yprop[2], xsprop[2], ysprop[2], mr[2], mi[2], mrs[2], mis[2], mb[2], curiter[2]);
 335         MandelUnit mu3(mclk,
 336                 xprop[2], yprop[2], xsprop[2], ysprop[2], mr[2], mi[2], mrs[2], mis[2], mb[2], curiter[2],
 337                 xprop[3], yprop[3], xsprop[3], ysprop[3], mr[3], mi[3], mrs[3], mis[3], mb[3], curiter[3]);
 338         MandelUnit mu4(mclk,
 339                 xprop[3], yprop[3], xsprop[3], ysprop[3], mr[3], mi[3], mrs[3], mis[3], mb[3], curiter[3],
 340                 xprop[4], yprop[4], xsprop[4], ysprop[4], mr[4], mi[4], mrs[4], mis[4], mb[4], curiter[4]);
 341         MandelUnit mu5(mclk,
 342                 xprop[4], yprop[4], xsprop[4], ysprop[4], mr[4], mi[4], mrs[4], mis[4], mb[4], curiter[4],
 343                 xprop[5], yprop[5], xsprop[5], ysprop[5], mr[5], mi[5], mrs[5], mis[5], mb[5], curiter[5]);
 344         MandelUnit mu6(mclk,
 345                 xprop[5], yprop[5], xsprop[5], ysprop[5], mr[5], mi[5], mrs[5], mis[5], mb[5], curiter[5],
 346                 xprop[6], yprop[6], xsprop[6], ysprop[6], mr[6], mi[6], mrs[6], mis[6], mb[6], curiter[6]);
 347         MandelUnit mu7(mclk,
 348                 xprop[6], yprop[6], xsprop[6], ysprop[6], mr[6], mi[6], mrs[6], mis[6], mb[6], curiter[6],
 349                 xprop[7], yprop[7], xsprop[7], ysprop[7], mr[7], mi[7], mrs[7], mis[7], mb[7], curiter[7]);
 350         MandelUnit mu8(mclk,
 351                 xprop[7], yprop[7], xsprop[7], ysprop[7], mr[7], mi[7], mrs[7], mis[7], mb[7], curiter[7],
 352                 xprop[8], yprop[8], xsprop[8], ysprop[8], mr[8], mi[8], mrs[8], mis[8], mb[8], curiter[8]);
 353         MandelUnit mu9(mclk,
 354                 xprop[8], yprop[8], xsprop[8], ysprop[8], mr[8], mi[8], mrs[8], mis[8], mb[8], curiter[8],
 355                 xprop[9], yprop[9], xsprop[9], ysprop[9], mr[9], mi[9], mrs[9], mis[9], mb[9], curiter[9]);
 356         MandelUnit mua(mclk,
 357                 xprop[9],  yprop[9],  xsprop[9],  ysprop[9],  mr[9],  mi[9],  mrs[9],  mis[9],  mb[9], curiter[9],
 358                 xprop[10], yprop[10], xsprop[10], ysprop[10], mr[10], mi[10], mrs[10], mis[10], mb[10], curiter[10]);
 359         MandelUnit mub(mclk,
 360                 xprop[10], yprop[10], xsprop[10], ysprop[10], mr[10], mi[10], mrs[10], mis[10], mb[10], curiter[10],
 361                 xprop[11], yprop[11], xsprop[11], ysprop[11], mr[11], mi[11], mrs[11], mis[11], mb[11], curiter[11]);
 362
 363 endmodule
 364
 365 module Logo(
 366         input pixclk,
 367         input [11:0] x, y,
 368         output wire enb,
 369         output wire [2:0] red, green, output wire [1:0] blue);
 370
 371         reg [1:0] logo[8191:0];
 372         initial $readmemb("logo.readmemb", logo);
 373
 374         assign enb = (x < 96) && (y < 64);
 375         wire [12:0] addr = {y[5:0], x[6:0]};
 376         wire [1:0] data = logo[addr];
 377         assign {red, green, blue} =
 378                  (data == 2'b00) ? 8'b00000000 :
 379                 ((data == 2'b01) ? 8'b00011100 :
 380                 ((data == 2'b10) ? 8'b11100000 :
 381                                     8'b11111111));
 382 endmodule
 383
 384 module MandelTop(
 385         input gclk, output wire dcmok,
 386         output wire vs, hs,
 387         output wire [2:0] red, green, output [1:0] blue,
 388         input left, right, up, down, rst, cycle, logooff,
 389         input [2:0] scale);
 390
 391
 392         wire pixclk, mclk, gclk2, clk;
 393         wire dcm1ok, dcm2ok;
 394         assign dcmok = dcm1ok && dcm2ok;
 395
 396         IBUFG typeA(.O(clk), .I(gclk));
 397
 398         pixDCM dcm(                                     // CLKIN is 50MHz xtal, CLKFX_OUT is 25MHz
 399                 .CLKIN_IN(clk),
 400                 .CLKFX_OUT(pixclk),
 401                 .LOCKED_OUT(dcm1ok)
 402                 );
 403
 404         mandelDCM dcm2(
 405                 .CLKIN_IN(clk),
 406                 .CLKFX_OUT(mclk),
 407                 .LOCKED_OUT(dcm2ok)
 408                 );
 409
 410         wire border;
 411         wire [11:0] x, y;
 412         reg [13:0] xofs = -`XRES/2, yofs = -`YRES/2;
 413         reg [5:0] slowctr = 0;
 414         reg [7:0] colorcycle = 0;
 415         wire [11:0] realx, realy;
 416
 417         wire logoenb;
 418         wire [2:0] mandelr, mandelg, logor, logog;
 419         wire [1:0] mandelb, logob;
 420
 421
 422
 423         SyncGen sync(pixclk, vs, hs, x, y, realx, realy, border);
 424         Mandelbrot mandel(mclk, pixclk, x, y, xofs, yofs, cycle ? colorcycle : 0, scale, mandelr, mandelg, mandelb);
 425         Logo logo(pixclk, realx, realy, logoenb, logor, logog, logob);
 426
 427         assign {red,green,blue} =
 428                 border ? 8'b00000000 :
 429                 (!logooff && logoenb) ? {logor, logog, logob} : {mandelr, mandelg, mandelb};
 430
 431         always @(posedge vs)
 432         begin
 433                 if (rst)
 434                 begin
 435                         xofs <= -`XRES/2;
 436                         yofs <= -`YRES/2;
 437                         colorcycle <= 0;
 438                 end else begin
 439                         if (up) yofs <= yofs + 1;
 440                         else if (down) yofs <= yofs - 1;
 441
 442                         if (left) xofs <= xofs + 1;
 443                         else if (right) xofs <= xofs - 1;
 444
 445                         if (slowctr == 0)
 446                                 colorcycle <= colorcycle + 1;
 447                 end
 448
 449                 if (slowctr == 12)
 450                         slowctr <= 0;
 451                 else
 452                         slowctr <= slowctr + 1;
 453         end
 454 endmodule