momo-simulator

对标 Proteus 的 mini 版 MCU 仿真模拟器：多架构 CPU 指令级仿真 + 虚拟终端 + 虚拟屏幕。

momo-simulator 是一个用 C11 + xmake + SDL2 实现的教学/演示型 MCU 仿真器。它在单一进程内完成「取指-译码-执行」的指令级仿真，并通过引脚级网络表（netlist）把 CPU 与外设、虚拟器件互联，模拟 Proteus 风格的硬件电路仿真体验。

特性

CPU 仿真：RV32I(+M) 指令集，顺序流水线模型；x0 恒零、CSR（mstatus/mie/mip/mtvec/mepc/mcause）、非法指令陷阱。可插拔多架构框架（后续扩展 Cortex-M0 / RV64I）。
外设：UART / SPI / I2C / GPIO，以 MMIO 方式接入 SoC。
虚拟终端：UART 输出实时渲染为可滚动的字符终端。
虚拟屏幕：SSD1306（128×64 单色 OLED，I2C 总线），带整数缩放与屏幕配置对话框。
网络表工程：*.net 文本工程文件描述器件与连线；附带纯前端 HTML 设计器可视化拖拽连线并导出。
图形界面：SDL2 双栏布局（左=虚拟终端+寄存器查看器，右=虚拟屏幕）；实时寄存器查看器、七档仿真速度调节、屏幕 I2C 地址配置模态框。
自研工具链：tools/rv32asm.py 迷你 RV32 汇编器（本机无 RISC-V 交叉编译器时用于生成固件 .bin）。
测试：8 个 xmake 测试 target 全部通过。

架构

分层结构（自下而上）：

src/core/     CPU(RV32)、内存、中断控制器、定时器
src/periph/   UART / SPI / I2C / GPIO 外设模型
src/devices/  虚拟终端、虚拟屏幕、SSD1306 器件驱动
src/sim/      事件队列(evq)、引脚网络表(net)、SoC 互联、netlist 工程解析
src/gui/      SDL2 界面（工具栏、窗口、寄存器面板、屏幕面板）
src/utils/    HEX 解析、日志、公共类型

仿真原理对标 Proteus：

周期推进：CPU 每帧执行若干周期（sim_run 按速度档位推进 cycles/frame）。
事件队列：evq 按时间戳分发定时/外设事件。
引脚级总线互联：net 模块实现引脚-网络表的电平传播，CPU 与外设通过地址解码 + MMIO 读写交换数据。

目录结构

momo-simulator/
├── src/                 # 源码（core/periph/devices/sim/gui/utils）
├── tests/               # 单元/冒烟测试（8 个 target）
│   ├── fixtures/        # 测试固件/数据
│   ├── rv32_unit.c      # RV32 指令级单测
│   ├── unit_net.c       # 引脚网络表单测
│   └── smoke_*.c        # 各模块冒烟测试
├── examples/
│   ├── fw/              # 示例固件（.S 源 + .bin）
│   └── projects/        # 示例 netlist 工程（.net）
├── tools/
│   ├── rv32asm.py            # RV32 迷你汇编器
│   └── netlist-editor.html   # 网络表可视化设计器
├── thirdparty/          # SDL2 / SDL2_ttf 预编译包（mingw x86_64）
├── xmake.lua
└── README.md

构建

依赖：

mingw-w64 工具链（本项目在 D:/msys64/mingw64 下验证）
xmake 构建工具
SDL2 / SDL2_ttf（已放入 thirdparty/，无需系统安装；xrepo 源码安装在本环境有 cmake 路径 bug，故采用官方 mingw 预编译包手动管理）

# 配置 mingw 工具链（仅需一次，结果缓存在 .xmake/）
xmake f -p mingw --mingw="D:/msys64/mingw64" -y

# 构建模拟器本体
xmake build momosim

构建产物：build/mingw/x86_64/debug/momosim.exe（SDL2.dll 自动从 thirdparty 拷贝）。

运行

# 直接运行（默认加载 examples/fw/hello.bin，加 --auto-run 自动启动仿真）
build/mingw/x86_64/debug/momosim.exe --auto-run

# 指定固件
build/mingw/x86_64/debug/momosim.exe --auto-run examples/fw/hello.bin

# 加载网络表工程（SSD1306 屏幕示例）
build/mingw/x86_64/debug/momosim.exe --netlist examples/projects/ssd1306.net --auto-run

界面操作：

工具栏：运行 / 暂停 / 复位 / 单步；右侧速度 [- | 档位 | +] 与「寄存器」开关（关闭后左栏终端占满）。
屏幕面板右上角 ⚙：打开配置对话框，可切换 SSD1306 的 I2C 地址（0x3C ↔ 0x3D），点「应用」实时生效。

固件汇编

本机若没有 RISC-V 交叉编译器，使用自研迷你汇编器生成固件：

python tools/rv32asm.py examples/fw/hello.S   -o examples/fw/hello.bin
python tools/rv32asm.py examples/fw/ssd1306.S -o examples/fw/ssd1306.bin

汇编器支持 RV32I(+M) 子集与常用伪指令，两遍汇编，输出小端 .bin。

网络表设计器

用浏览器打开 tools/netlist-editor.html，拖拽器件、连线，导出 .net 工程文件，再用 --netlist 加载到模拟器。

测试

8 个 xmake 测试 target 全部通过：

target	覆盖
`momosim-tests`	CPU 冒烟（add 固件端到端）
`momosim-tests-periph`	外设（UART/SPI/I2C/GPIO）
`momosim-tests-screen`	虚拟屏幕 / SSD1306 模型
`momosim-tests-fw`	固件端到端（UART 打印）
`momosim-tests-fw-screen`	固件 + 屏幕联合
`momosim-tests-netlist`	netlist 解析
`momosim-tests-rv32`	RV32 指令级单测（R/I/S/B/U/J 型、CSR、陷阱、M 扩展）
`momosim-tests-net`	引脚网络表单测

xmake build -a          # 构建全部 target
for t in momosim-tests momosim-tests-periph momosim-tests-screen \
         momosim-tests-fw momosim-tests-fw-screen momosim-tests-netlist \
         momosim-tests-rv32 momosim-tests-net; do
    xmake run $t
done