文章摘要
作者在Tiny Tapeout 8竞赛中提交了两款微型ASIC设计，仅用约4000个逻辑门实现VGA输出和音频播放。其中一款复古风格演示包含星空背景、3D棋盘和波浪文字效果，受限于无ROM/RAM的硬件条件，所有状态都需用触发器实现，展现了极简设计的创意。
文章总结
纯硅演示编码：无CPU、无内存，仅用4K逻辑门
项目背景
作者参与了Tiny Tapeout 8的演示竞赛，提交了两个ASIC设计作品。这些设计需要在约4000个逻辑门的限制内，输出2位RGB信号到VGA端口和1位音频到扬声器。其中一个作品是复古风格的C64/Amiga风格演示，另一个是Nyan Cat动画。
"TT08"演示
- 内容：包含星空背景、3D棋盘格和波浪形滚动文字，文字在棋盘上投射阴影。灵感来自lft的AVR演示Craft，还在屏幕边缘添加了青色示波器效果。
- 技术限制：仅使用两个Tiny Tapeout "tile"，无ROM或RAM，所有状态通过触发器实现，占用较多空间。传统的数据压缩技巧不适用，必须在每个时钟周期生成像素。
原型开发
- 视频模式：使用1220x480分辨率和48MHz时钟，因硬件限制（OrangeCrab FPGA）选择此模式，但后期发现数字捕捉效果不佳。
- 仿真工具：使用Verilator将Verilog编译为C++，进行逐周期仿真，并通过SDL窗口渲染视频和音频。
- 硬件实现：在OrangeCrab FPGA上实现，使用R-2R DAC（RGB222）和RC滤波音频输出。音频采用Sigma-Delta调制而非PWM。
Skywater 130nm工艺合成
- 设计优化：最终设计使用3374个单元，几乎占满可用空间。触发器占用较多面积，因此尽量减少状态位。
- 数据编码：在ASIC中，数据通过逻辑门编码，而非传统ROM。合成工具（如yosys）将查找表映射到标准单元库，优化逻辑门使用。
正弦波生成
- 方法：通过向量旋转生成正弦波，避免使用查找表。采用Minsky的HAKMEM 149算法，通过简单的位移和加法操作实现。
棋盘格效果
- 实现：通过透视变换将屏幕坐标映射到3D平面，计算(u,v)坐标生成棋盘格。使用非恢复除法算法优化计算。
星空背景
- 实现：使用线性反馈移位寄存器（LFSR）生成随机星位，每行重置LFSR状态，通过帧计数器控制星星移动速度。
音乐合成
- 结构：采用"ABAC"模式，减少逻辑复杂度。使用三种音色通道：噪声（军鼓）、方波（和弦/旋律）和三角波（底鼓）。
- 合成器：通过组合逻辑链生成音乐，避免使用寄存器。底鼓采用指数衰减频率，军鼓使用LFSR噪声调制。
Sigma-Delta DAC
- 实现：通过累加器生成脉冲序列，输出音频。相比PWM，实现更简单，但存在谐波失真。
回顾与改进
- 问题：音频时钟与视频不同步，导致音乐同步效果不佳。1220x480视频模式在非CRT设备上效果差。
- 改进：后续设计（如Nyan Cat）改用640x480分辨率，同步音频和视频时钟。
Nyan Cat项目
- 内容：复刻经典Nyan Cat动画，使用640x480 VGA和同步音频。
- 技术：复用TT08演示的代码，优化设计以适应单tile，但最终因布线问题扩展为双tile。
- 音乐：从MIDI提取旋律和低音部分，映射到8音符音阶，通过Verilog代码播放。
制造与结果
- 制造过程：Tiny Tapeout 8于2024年9月投产，2025年3月因Efabless公司关闭而中断。后由新公司接手，最终在2025年9月交付芯片。
- 测试结果：所有设计均正常运行，仅Donut因时钟问题需降频至45MHz。
总结
作者通过这两个项目掌握了大量底层技巧，未来计划进一步优化设计。尽管面临制造延迟和技术挑战，最终成果令人满意。
评论总结
总结评论内容：
- 对项目的积极评价：
- 认为项目很酷，特别是复古架构设计简单有趣（评论2："The retro architectures for rendering are simple but fun!"）
- 直接表达赞赏（评论3："Really cool!"）
- 技术性讨论：
- 指出项目存在概念不准确（评论4："If you have registers, it's not 'no memory'"）
- 引发关于硬件/软件关系的思考（评论1："Hardware and Software are logically equivalent"）
- 个人感受：
- 表达想要参与类似项目的愿望（评论2："I really want to find time to build something cool like this"）
- 唤起校园回忆（评论1："Reminds me of college"）
注：所有评论均未显示评分（None），因此无法评估认可度。