Fejlesztés Development | CPU | Számítógép Computer | Assembler | Monitor | Függvények Library

Perifériák: GPIO | Időzítő | UART | Board Control | Óra

FPGA megvalósítás: Nexys4DDR | Boolean | LogSys

Lang: Nyelv: HU EN

Mikroszámítógép v2

A mikroprocesszort kiegészítve néhány alkatrésszel, mikroszámítógépet alakítunk ki.

A processzort memóriával, GPIO áramkörökkel, órával, időzítővel és UART-al, az eszközöket összekötő buszt pedig címdekóderrel egészítjük ki. A clk bemenet a számítógép, egyúttal a CPU órajele is. Az FPGA megvalósításban a clk bemenetre 25 MHz frekvenciájú órajelet kötünk.

A processzor memória illesztőjére kapcsolódó memória fogja tárolni a futtatott programot, valamint a feldolgozott adatokat. A memóriát az FPGA-n alakítjuk ki, a lefordított program kódját pedig beillesztjük az alkatrészbe.

A memória kapacitása kártyától függően 64, vagy 128 Kszó, a címzéshez így 16, vagy 17 bitre van szükség. Minden szó 32 bites.

A külvilággal való kapcsolattartást a memória illesztőre kapcsolt GPIO (General Purpose Input Output) áramkörök valósítják meg.

Kimenetek

A kimeneti kivezetéseket egy négy regiszterből álló “memória” valósítja meg, amelyből mind a négy regiszter kimenetei ki vannak vezetve. A számítógép kimenetei a PORTA, PORTB, PORTC, PORTD nevet viselik, és a GPIO kimeneti adatregiszterének (ODR) értéke jelenik meg rajtuk. A regiszterek tartalma írható (memória írás utasítással), valamint vissza is olvasható a tartalmuk.

A 4 regiszter 4 egymást követő címen található, a kezdőcímet a címdekóder határozza meg:

Bemenetek

Bemenetként szintén regisztert használunk. A regiszter olvasásakor a bemeneti vezetékek állapota eltárolódik a regiszterben (mintavétel), a processzor ennek a tartalmát fogja megkapni. A bemeneti GPIO áramkörben egy regiszter van, így egy 32 bites bemenő adathoz lehet vele hozzáférni. A számítógépben két ilyen áramkört kapcsolunk a buszra, így két bemeneti portot kapunk:

Az időzítő egy 32 bites bináris előre számlálót tartalmaz, amely a számítógéptől független órajellel léptethető. Az FPGA megvalósításnál 1 MHz-es órajelet használunk, míg a verilog szimulációban az időzítő $\frac{f_{\mathrm{CPU}}}{20}$ frekvenciájú órajelet kap. A számlálás ki, illetve bekapcsolható, nullától egy beállítható végértékig tart, melynek az elérése után a számláló nullázódik. A végérték elérését a túlcsordulás kimenet 1 értékűvé válása jelzi, a kimenetet szoftverből kell törölni, törlésig 1 marad.

Az időzítő regiszterei

TIMER.CTRL, control

Offszet: 0
Kezdőérték: 0

A regiszter tartalma vezérli a számláló működését.

• TIMER.CTRL[0]: EN, enable. Ha a bit értéke 1, a számláló bekapcsol, ha a bit értéke 0, a számláló megáll.
• TIMER.CTRL[1]: IEN, interrupt enable. H a bit értéke 1, az áramkör irq kivezetése 1 lesz túlcsordulás esetén.
• TIMER.CTRL[31:2]: reserved. Nem használt bitek.

TIMER.AR, auto-reload

Offszet: 1
Kezdőérték: 0

A regiszter a számlálás végértékét állítja be. Amikor a számláló értéke az AR regiszter tartalmával egyezik, a túlcsordulás kimenet 1 lesz, a számláló a következő lépéskor nullázódik.

TIMER.CNTR, counter

Offszet: 2
Kezdőérték: 0

A számláló aktuális értékét tartalmazó regiszter. Írás művelettel a számláló értéke megváltoztatható.

TIMER.STAT, status

Offszet: 3
Kezdőérték: 2

Az időzítő állapotáról tartalmaz információt.

• TIMER.STAT[0]: EN, enable. A CTRL[0] bit értéke, csak olvasható.
• TIMER.STAT[1]: OVF, overflow, read-only. Olvasás esetén a túlcsordulási állapot értékét kapjuk. A túlcsordulás akkor vált 1-re, amikor a számláló értéke egyezővé válik az AR regiszter értékével.
• TIMER.STAT[1]: RSTO, reset overflow, write-only. Írás művelet esetén ennek a bitnek az 1 értékűre való írásával tudjuk törölni a túlcsordulás állapotot.

Univerzális aszinkron soros adó- vevő áramkör. Az áramkör vevő oldala egy 16 elemű belső FIFO-val van ellátva, amely kiolvasás előtt az utolsó 15 vett adatot tudja tárolni.

UART.DR, data register

Offszet: 0
Kezdőérték: 0

8 bites adat regiszter, írása elindítja a küldő műveletet. Olvasása a FIFO legrégebbi tárolt karakterét adja. Olvasáskor a [31:8] bitek értéke 0 lesz.

UART.DRCTRL, control

Offset: 1

Kezdőérték: 0

• UART.DRCTRL[0]: RXEN, receive enable. Vevő áramkör engedélyezése, a vétel funkció bekapcsolása. 1 értéke a vevőt bekapcsolja, 0 értéke a vevőt kikapcsolja.
• UART.DRCTRL[1]: TXEN, transmit enable. Küldő áramkör engedélyezése, a küldés funkció bekapcsolása. 1 értéke a küldést engedélyezi, 0 értéke a küldést tiltja.

UART.DRRSTAT, receive status

Offszet: 2
Kezdőérték: 0

Csak olvasható regiszter, a vevő áramkör állapotáról tartalmaz információt.

• UART.DRRSTAT[0]: RNE, receiver not empty. A bit 1 értékű, ha a vevő áramkör egy byte-ot vett és a FIFO nem üres. Az adat regiszter kiolvasása a bitet 0 értékre állítja, amennyiben az olvasás a FIFO utolsó adatát olvasta ki.
• UART.DRRSTAT[1]: BREAK, break received. A bit 1 értékű, ha van vett karakter, és az 0.
• UART.DRRSTAT[2]: RX_VALID, 1 értéke azt jelzi, hogy a vevő shift regiszter kimenetén vett adat található.
• UART.DRRSTAT[4]: FIFO_EMPTY, 1, ha a vevő FIFO üres (az RNE bit értékének negáltja).
• UART.DRRSTAT[5]: FIFO_FULL, 1, ha a vevő FIFO megtelt. Ha olvasással nem távolítunk el adatot a FIFO-ból, akkor a további vett adatok elvesznek.
• UART.DRRSTAT[23:16]: FIFO_WADDR, a FIFO buffer következő üres helyének címe.
• UART.DRRSTAT[31:24]: FIFO_RADDR, a FIFO-ban legrégebben eltárolt adat címe.

UART.DRTSTAT, transmit status

Offszet: 3
Kezdőérték: 1

Csak olvasható regiszter, a küldő áramkör állapotáról tartalmaz információt.

• UART.DRTSTAT[0]: TC transmit complete. A bit 1 értékű, ha a küldő üres, és nem végez adattovábbítást. Az adat regiszter írásával elindított küldés törli a bit értékét.

UART.DRCPB, cycles per bit

Offszet: 4
Kezdőérték: 216

Írható és olvasható regiszter, amelynek az értéke a bit továbbítás sebességét állítja be (jelelési sebesség). A tartalma azt adja meg, hogy 1 bit továbbításának az ideje mennyi, az áramkörre kapcsolt órajel periódusainak a számában. Az átvitel sebessége:

$\mathrm{BaudRate}=\frac{f_{\mathrm{CLK}}}{\mathrm{CPB}+1}\left[\mathrm{baud}\right]$

ahol az fCLK az áramkör bemenetére kötött órajel frekvenciája. 25 MHz-es órajel esetén a 216-os kezdőérték ~115200 baud sebességet eredményez.

A periféria regisztereivel a számítógép kimeneti portjainak felhasználási módja vezérelhető.

BRD_CTRL.OUT, output control

Offszet: 0
Kezdőérték: 0

• BRD_CTRL.OUT[0] DISPLAY_BY_COMP: 0 érték esetén a hétszegmenses kijelzőn megjelenő értéket a [7:4] kapcsolók választják ki, 1 esetén pedig az OUT regiszter [7:4] bitjei.
• BRD_CTRL.OUT[7:4]: DISPLAY_SELECT: a hétszegmenses kijelzőn megjelenő értéket választják ki, akkor ha az DISPLAY_BY_COMP bit 1 értékű.

A kimeneti portok (PORTA...PORTD) felhasználását vezérli. Hatása csak az FPGA megvalósítások esetén van.

Ez a periféria szövegek kiírására használható, abban az esetben, ha szimuláljuk az áramkör viselkedését egy verilog szimulátorral. A perifériának egy regisztere van. A regiszterbe először egy parancsot, majd egy paramétert kell a szoftvernek írnia. Ha a parancs értéke ‘p’ (112, 0x70), akkor a második, paraméter értéket az illesztő ASCII kódnak tekinti, és a kódnak megfelelő betűt kiírja a szimulátor felületére.

SIMIF.CMD_PAR

Offszet: 0
Kezdőérték: 0

Parancs és adat regiszter.

A periféria egy 32 bites előre számlálót tartalmaz, amelynek a működési frekvenciája (vagyis a lépések közötti idő) egy előosztó segítségével beállítható.

Ezen kívül még 14 darab 32 bites hátra számlálót is használhatunk, amlyeknek a frekvenciája az óra számlálóéval egyezik meg. Ezek a számlálók csak akkor lépnek, ha nem nulla az értékük, a 0 elérésekor a számlálás leáll.

CLOCK, clock value

Offszet: 0
Kezdőérték: 0

A regiszter az óra számláló értékét tartalmazza, írható és olvasható.

CLOCK.PRE, pre-divider value

Offszet: 1
Kezdőérték: 0

A PRE regiszter értéke határozza meg az óra működési frekvenciáját, két lépés között CNT+1 bemeneti órajel telik el:

$f_{\mathrm{CLOCK}}=\frac{f_{\mathrm{CLK}}}{\mathrm{PRE}+1}$

Ha a rendszer órajele 25 MHz, ahhoz, hogy az óra 1 ms időnként lépjen egyet, az előosztó regiszter értékét 24999-re kell állítani. Az óra csak akkor működik, ha a PRE nem 0 értékű, így 0-ra állítással az óra megállítható.

CLOCK.BCNT2…BCNT15, backward counters

Offszet: 2…15
Kezdőérték: 0

Hátra számlálók, amelyeknek a működési frekvenciája az óra regiszterével egyezik. A számlálók csak akkor lépnek, ha nem 0 az értékük. A 0 elérésekor az egyes számlálók megállnak.

A számítógéphez az FPGA kártyán elérhető eszközök vannak hozzákötve megfelelő illesztő áramkörökön keresztül.

A felhasznált kártyákon az oszcillátor 100 MHz-es órajelet állít elő. Ez egy osztón keresztül állítja elő a számítógép 25 MHz-es órajelét.

A bemeneti eszközök (BTN nyomógombok, SW kapcsolók) illesztésére pergésmentesítő áramkört alkalmazunk.

A kimeneti eszközök a kártyák LED-jei és hétszegmenses kijelzői. A kijelző multiplex meghajtást igényel, ezt egy több üzemmódban is használható kódátalakító működteti. A megjelenített adatok a számítógép különböző kimeneteiről érkezhetnek, ezek közül egy multiplexer választja ki a megjelenített értéket.

A számítógéppel az UART periférián keresztül kommunikálhatunk, amely a kártya UART-USB átalakítóján keresztül érhető el.

A CPU reset-elése elvégezhető a kártya CPU reset nyomógombjával, ha a kártya rendelkezik vele.

Másik módszer, a BTN[1] nyomógomb (Nexys4DDR kártyán BTND) nyomva tartása közben a BTN[0] gomb (Nexys4DDR kártyán a BTNC) megnyomása. Ez a módszer csak a BTN[0] egyszeri megnyomásakor működik. A következő reset előállításához a BTN[1] gombot fel kell engedni, majd újra nyomva tartva lehet a BTN[0] megnyomásával reset-elni.

A hétszegmenses kijelző egy 32 bites szám értékét tudja megjeleníteni hexadecimális számrendszerben. A kijelzőn 16 különféle érték jeleníthető meg, ezeket a SW[7:4] kapcsolókon beállított bináris (0-15) értékkel, vagy a BRD_CTRL periféria OUT regiszterének [7:4] bitjeivel (ha OUT[0]==1) választhatjuk ki.

(*) A SW[11:8] kapcsolókon beállított 4 bites bináris érték választja ki, hogy a CPU teszt kimenetein milyen értékek jelenjenek meg (P2 CPU esetén nincs megvalósítva).

(**) A SW[3:0] kapcsolókon beállított 4 bites bináris érték (0-15) választja ki, hogy a CPU melyik regiszterének az értéke jelenjen meg a kijelzőn.

(***) A PORTD 32 bitje a kijelző 0-3 számjegyének 32 LED-jét vezérli (4-7 karakterpozíciók), míg a PORTC 32 bitje a kijelző 4-7 számjegyének (0-3 karakterpozíciók) LED-jeit működteti.

Szegmens mód

Amennyiben a kijelzendő adatként a 10-es sorszámú van kiválasztva, a kijelző meghajtó szegmens üzemmódban működik, ebben az esetben az adatot a PORTD és PORTC kimenetek szolgáltatják.

A számítógépbe 128 kszó RAM memória van beépítve, amely alapvetően az első 128k címen érhető el. Az első 64k utolsó 256 címe esetén azonban a címdekóder nem a memóriát, hanem helyette az IO áramköröket választja ki. Az IO áramkörök tehát a 0xFF00-0xFFFF tartományon belül használhatók. Az egyes perifériák regisztereinek kezdőcímét a memória térkép rajzáról olvashatjuk le.

A RAM első 65280 szó, és a második 64 kszó méretű területén tárolhatók a felhasználói program és annak adatai. A 0xF000-0xFEFF memóriaterület kezdőértékként a PMon nevű monitorprogram kódját tartalmazza, míg a 0 címen egy vezérlésátadó utasítás van, amely bekapcsoláskor elindítja a monitort.

A monitor segítségével megvizsgálhatjuk, módosíthatjuk a memória tartalmát, beállíthatjuk a felhasználói program számára a regisztereket, valamint az UART-on keresztül betölthetjük a memóriába a felhasználói programot. A monitor egy parancssoros felhasználói felülettel (CLI) rendelkezik, amelyet az UART-on keresztül használhatunk, 115200,N,8,1 beállításokkal.

IO áramkörök regisztereinek címei

A kártya dokumentációja elérhető a http://mazsola.iit.uni-miskolc.hu/d/fpga_nexys4ddr címen.

A kártya egy CPU RESET gombot, valamint 5 nyomógombot és 16 kapcsolót tartalmaz, a kimeneti jeleket 16 LED-en és egy 8 digites hétszegmenses kijelzőn lehet megjeleníteni.

A számítógép órajele 25 MHz.

Nexys4DDR bemenetek

A kapcsolók és nyomógombok pergésmentesítettek.

A PORTI és PORTJ fel nem használt bitjeire 0 van bekötve.

A kártya CPU RESET feliratú nyomógombját használhatjuk a számítógép alapállapotba állítására.

Nexys4DDR kimenetek

A számítógép PORTB[15:0] kimenetei a kártya 16 LED-jére vannak bekötve.

Nexys4DDR memória

A számítógépben 128 kszó memória van, a memória térkép megegyezik a címdekóder fejezetben ismertetett térképpel.

A kártya dokumentációja elérhető a http://mazsola.iit.uni-miskolc.hu/d/fpga_boolean címen.

A kártya 4 nyomógombot, 16 kapcsolót, valamint 16 LED-et és egy 8 digites hét szegmenses kijelzőt tartalmaz.

A számítógép órajele 25 MHz.

A kapcsolók, LED-ek és a hétszegmenses kijelző bekötése megegyezik a Nexy4DDR kártyán megvalósított áramkörével. A nyomógombok és kapcsolók pergésmentesítettek.

Boolean bemenetek

A kártya 16 kapcsolóval és 4 nyomógombbal rendelkezik, mivel azonban a CPU RESET számára nincs rajta dedikált nyomógomb, ezért a fent említett 2 nyomógombos módszer használható a CPU újraindítására.

Boolean kimenetek

A számítógép PORTB[15:0] kimenetei a kártya 16 LED-jére vannak bekötve.

Boolean memória

A számítógépben 64 kszó memória található, amely a 0-0xFFFF címeken érhető el. A címdekóder fejezetben látható térképhez képest az a különbség, hogy a 0x10000-0x1FFFF címeken nincs beépített memória.

A kártya dokumentációja elérhető a http://mazsola.iit.uni-miskolc.hu/d/fpga_logsys címen.

A kártya egy RST, valamint négy általános nyomógombot és 8 kapcsolót tartalmaz. A kimeneti eszközök nyolc darab 3 színű LED és egy négy digites hétszegmenses kijelző.

A számítógép órajele 25 MHz.

LogSys bemenetek

A nyomógombok és kapcsolók pergésmentesítettek.

A számítógép az RST nyomógombbal állítható alaphelyzetbe.

LogSys kimenetek

Az LD0..LD7 LED-ek mindegyike három színű, vagyis egy zöld, egy kék és egy piros LED-et is tartalmaz. A számítógép PORTB[23:0] kimenetei segítségével működtethetők a LED-ek:

A hétszegmenses kijelzőn megjelenő érték a SW[7:4] kapcsolókon beállított 4 bites bináris kód segítségével választható ki. Mivel a kijelző csak 4 digites, ezért a kiválasztott adatnak csak az alsó 16 bitje jelenik meg. Szegmens mód esetén (SW[7:4]==10), a PORTC kimenetek határozzák meg a kijelző 32 LEDjének az állapotát, a PORTD kimenetek nincsenek hatással a kijelzőre.

LogSys memória

A számítógépben 128 kszó memória van, a memória térkép megegyezik a címdekóder fejezetben ismertetett térképpel.