CC BY
60Андрей СТРОГОНОВ, д. т. н.
Проектирование учебного процессора
для реализации в базисе ПЛИС
Микропроцессорные ядра представляют важный класс вычислительных заготовок, так как главным образом от их качеств зависят основные технические и потребительские свойства систем на кристалле. Эти заготовки разделяются по степени гибкости настройки под условия потребителя на программные («мягкие», описанные на языке HDL), жесткие (логическая схема) и аппаратные («твердые» маски под определенную технологию) [1].
Программные заготовки можно легко подстраивать к условиям нового проекта, они обладают высоким быстродействием и независимы от технологии. Их реализация в ПЛИС (например, 8-разрядное микропроцессорное ядро PicoBlaze для реализации в базисе ПЛИС семейств Spartan и Virtex [2]) позволяет ускорить процесс разработки микропроцессорных систем. Наиболее важными потребительскими свойствами вычислительных заготовок процессоров являются повторяемость, быстродействие, аппаратурные затраты.
Путем несложной перенастройки «мягкой» заготовки можно получить ряд модификаций микроконтроллера с различным сочетанием объема памяти, периферийных устройств, источников прерывания и т. п. Такой процессор можно реализовать в ПЛИС различных фирм. Описание процессора на языке УИБЬ позволяет не только сделать ее перенастраиваемой и независимой от технологии, но и выполнять ее моделирование и синтез на симуляторах и средствах синтеза различных фирм.
В работах [3-6] рассматривается проектирование процессоров для реализации в базе
ПЛИС с использованием языков аппаратурных средств VHDL [3, 4] и AHDL [6]. Интересный вариант построения RISC-процессора на языке VHDL описан в работе [1]. Проект процессора ориентирован на реализацию в ПЛИС Virtex-E фирмы Xilinx. Процессор имеет структуру с распределенным управлением, развитую систему команд и может быть использован в качестве основы ультра-быстрого процессора 80С51.
Воспользуемся системой команд гипотетического синхронного процессора, реализованного с помощью конечного автомата, с циклом работы в два такта [3]. При разработке системы команд процессора автор работы [3] использовал слабое кодирование. В таблице 1 представлена система команд процессора с синхронной архитектурой [3]. Процессор основан на использовании раздельных шин данных и команд.
Предлагаемый в работе [3] процессор способен работать с синхронным ОЗУ. Это обеспечивается употреблением оператора case, который используется в ветви оператора if при детектировании атрибута переднего фронта синхроимпульса clk и позволяет организовать цикл работы в два такта.
В качестве примера воспользуемся процессором, представленным в работе [3], и реализуем его в ПЛИС фирмы Altera APEX20KE с асинхронным ПЗУ. Реализация синхронного процессора с циклом работы в два такта возможна при использовании более современных семейств ПЛИС фирмы Altera — Stratix и Сус1опе.
На рис. 1 показана тестовая схема управляющего автомата процессора в графическом редакторе САПР ПЛИС Quartus II, а на рис. 2 — содержимое конфигурационного файла ПЗУ. В описание процессора на языке VHDL добавлен асинхронный сброс регистров А, В и счетчика команд на регистре ip. Как и в работе [3], декодирование перемен-
Таблица 1. Система команд процессора с синхронной архитектурой [3]
Код операции Мнемоника Описание
0 NOP Нет операции
01xxH JMP Безусловный переход по адресу, заданному младшим байтом команды
02xxH JMPZ Переход по адресу, заданному младшим байтом команды, если содержимое регистра A равно нулю
03xxH CALL Вызов подпрограммы по адресу, заданному младшим байтом команды
04xxH MOV A,xx Непосредственная загрузка в регистр A значения, заданного младшим байтом команды
05xxH MOV B,xx Непосредственная загрузка в регистр B значения, заданного младшим байтом команды
0600H RET Возврат из подпрограммы
0601H MOV A,B Загрузка в регистр A значения, содержащегося в регистре B
0602H MOV B,A Загрузка в регистр B значения, содержащегося в регистре A
0603H XCHG A,B Обмен местами значений в регистрах A и B
0604H ADD A,B Сложение значений в регистрах A и B, результат помещается в A
0605H SUB A,B Вычитание значений в регистрах A и B, результат помещается в A
0606H AND A,B Побитное логическое И значений в регистрах A и B, результат помещается в A
0607H OR A,B Побитное логическое ИЛИ значений в регистрах A и B, результат помещается в A
0608H XOR A,B Побитное логическое ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ значений в регистрах A и B, результат помещается в A
0609H DEC A Декремент регистра А (вычитание 1)
Рис. 1. Тестовая схема процессора в графическом редакторе САПР ПЛИС Quartus II с использованием управляющего автомата и асинхронного ПЗУ
Рис. 2. Файл конфигурации ПЗУ для тестирования команды обращения к подпрограммам CALL и возврата RET
ной-селектора cmd осуществляется с помощью оператора case.
Оператор case, подобно оператору if, задает ветвление алгоритма. В этом операторе вычисляется заданное выражение expression, по его значению выбирается одна из альтернатив choices (constant_value) и исполняются соответствующие последовательные операторы statement. В каждом из наборов альтернатив constant_value можно записать один или большее число последовательных операторов.
Значения в списках разделяются символом «I». Когда значение выражения встречается в одном из списков значений, выполняется соответствующая последовательность операторов. Если значение выражения не присутствует ни в одном из списков, то выполняется список операторов, соответствующий ветви when others.
Синтаксис оператора case:
Функция conv_integer(cmd) переводит вектор в десятичное число отдельных кодов. При каждом допустимом значении кода команды происходят различные действия, которые состоят в присвоении регистрам новых значений в соответствии с описанием команд. Счетчик команд (регистр) не обновляется автоматически, поэтому в каждом варианте кода команды присваивание счетчику нового значения указывается явно [3]. Процессор ограничивается двумя регистрами общего назначения (А и В), а также имеет указатель инструкций 1р и регистр г для хранения адреса, с которого происходит вызов подпрограммы, поддерживает минимальный набор ко-
манд: команда пересылки «регистр - регистр»; команды непосредственной загрузки; команда безусловного перехода к новому адресу; команды перехода по условию; набор арифметико-логических операций [3]. Приведем пример реализации на языке VHDL управляющего автомата:
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.aH; entity proc is
port (ip: inout std_logic_vector(7 downto 0); cmd: inout std_logic_vector(15 downto 0); clk,res: in std_logic; a: inout std_logic_vector(7 downto 0); b,r: inout std_logic_vector(7 downto 0)); end proc;
architecture a of proc is signal stage: std_logic; begin
process(clk)
begin
if (res = '1') then
a <=«00000000»; b <=«00000000»; ip <=«00000000»; elsif clk'event and clk—1' then case stage is when '0'—> stage<—'1'; when others=> stage<='0'; case conv_integer(cmd) is when 0—> ip <— ip+1; when 256 to 511 —>ip<—cmd(7 downto 0); when 512 to 767 —>if conv_integer(a)—0
then ip<=cmd(7 downto 0); else ip<—ip+1; end if;
when 768 to 1023 =>r<=ip; ip<=cmd(7 downto 0);
when 1024 to 1279 —> a<—cmd(7 downto 0); ip<—ip+1;
when 1280 to 1535 —> b<—cmd(7 downto 0); ip<—ip+1;
when 1536 =>ip<=r+1;
when 1537—>a<—b; ip<—ip+1;
when 1538—>b<—a; ip<—ip+1;
when 1539—>a<—b;b<—a; ip<—ip+1;
when 1540—>a<—a+b; ip<—ip+1;
when 1541—>a<—a-b; ip<—ip+1;
when 1542—>a<—a and b; ip<—ip+1;
when 1543=>a<=a or b; ip<=ip+1;
when 1544—>a<—a xor b; ip<—ip+1;
when 1545—>a<—a-1; ip<—ip+1;
when others=>ip<=ip+1;
end case;
end case;
end if;
end process;
end a;
Наиболее сложными являются команды передачи управления JMP и JMPZ, а также команда обращения к подпрограммам CALL и команда возврата из подпрограмм RET. Временные диаграммы на рис. 3 демонстрируют принцип работы управляющего автомата с асинхронным ПЗУ при отработке команд CALL (0305H) и RET (0600H). При нормальной последовательности работы процессора отрабатываются регистровые команды. Последовательно загружаются регистры А и В. В регистр А загружается число 1D (1H), а в ре-
гистр В — число 17D (11H). По команде 0305H происходит запись содержимого счетчика команд ip в регистр r (2D) и загрузка в счетчик команд числа 5D. Таким образом, процессор начнет выполнять подпрограмму, хранящуюся в ПЗУ, с адреса 5H. По указанному адресу извлекается регистровая команда 0403H. Происходит загрузка в регистр A числа 3H, командой 0404H — загрузка числа 4H. Посредством следующей команды с кодом 0604Н произойдет сложение содержимых регистров с сохранением результата в регистре А (число 21D). Далее будут отработаны команды 0406Н и 0407Н. По команде возврата из подпрограммы 600Н произойдет изменение содержимого счетчика с 10D на 2D+1D, то есть на 3D.
Для использования устаревших серий ПЛИС в учебных проектах предлагается отказаться от цикла работы в два такта. С этой целью регистровые команды 04xxH, 05xxH, 0601H-0609H предлагается реализовать на тактируемом дешифраторе, выполняющем функцию арифметически-логического устройства (АЛУ):
LIBRARY ieee; use ieee.std_logic_1164.aH; use IEEE.std_logic_arith.all; use IEEE.std_logic_unsigned.all;
ENTITY alu IS PORT
(cmd : IN STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0); clk,res : IN STD_LOGIC;
a,b : INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));
END alu;
ARCHITECTURE a OF alu IS
signal regA,regB: std_logic_vector(7 downto 0);
BEGIN
PROCESS (clk,res)
BEGIN
if (RES = '1') then
egA <=«00000000»; regB <=«00000000»; elsif (clk'event and clk—T) then case conv_integer(cmd) is when 1024 to 1279 => regA<=cmd(7 downto 0); when 1280 to 1535 => regB<=cmd(7 downto 0); when 1537=>regA<=regB; when 1538=>regB<=regA; when 1539=>regA<=regB; regB<=regA; when 1540=>regA<=regA+regB; when 1541=>regA<=regA-regB; when 1542=>regA<=regA and regB; when 1543=>regA<=regA or regB; when 1544=>regA<=regA xor regB; when 1545=>regA<=regA-1; when others=> a<=regA; b<=regB; end case;
end if;
a<=regA;
b<=regB;
END PROCESS;
END a;
А команды передачи управления JMP, JMPZ и обращения к подпрограммам с кодами 01xxH-03xxH, 0600H на 8-разрядном суммирующем счетчике адресов памяти команд, тактируемом фронтом синхросигнала (рис. 4), выглядят так:
Г VUua Л ь, 20 pn. <0pn« «pn, 80 On. 100,0 m 1200 n* 1*0 Or, 1 iso On, 110,0*4 200,0 rw 220On* 2*0,0 nj
L Ор.
ш И1 П ■
□ <* ' во LLr- 1 _ —L_ LjTn ! J~T~I і 1 -1 f—1 гн_і 1 1 1 і 1 і 1 11 1
а LÜ о i SO I Р-. x: _ n =3= cc _ x X >; в • : •
¡а О and м 0*01 f. . X. til JHfflgi jmgglZfr-- tw.IDt. ttet X. -C 8W71. 1X1 Щ
і • SO l 0 с i 1 ; X 3 , * . Л . X _2L . A і t :
. л В ь SO 1У — . 17. , 1 ft! - : і :1|| і
3 а г so r • ■ -L >
Рис. 3. Временная диаграмма работы процессора с использованием управляющего автомата и асинхронного ПЗУ (отрабатываются регистровые команды и команда вызова подпрограммы с кодом 0305H (CALL) и команда возврата из подпрограммы 0600H (RET))
CASE_____expression IS
WHEN_______constant_value =>
__statement;
__statement;
WHEN_______constant_value =>
__statement;
__statement;
WHEN OTHERS =>
__statement;
__statement;
END CASE;
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; use ieee.std_logic_arith.all; ENTITY counter IS
PORT(
Clk : IN STD_LOGIC;
Рис. 4. Тестовая схема процессора без использования управляющего автомата с асинхронным ПЗУ в графическом редакторе САПР ПЛИС Quartus II
Рис. 5. Временные диаграммы работы процессора без использования управляющего автомата с асинхронным ПЗУ
reset : IN STD_LOGIC;
cmd : IN STD_LOGIC_VECTOR(10 downto 0); a : INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0); r : INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
Qa,Qb : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
END counter;
ARCHITECTURE a OF counter IS
SIGNAL pci,data,regA: STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0); SIGNAL cop: STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0);
BEGIN
regA<=a;
cop<=cmd(10 downto 8); data<=cmd(7 downto 0);
-- cmd 11 bit wide -- 11 bit encoding -- JMP: 001 <data>
-- JMPZ: 010 <data>
-- CALL: 011 <data>
-- RET: 110 00000000
process(clk,reset)
begin
if (reset = '1') then
pci <=(others=>'0'); r <=(others=>'0'); elsif (clk'event and clk=T) then if
cop=«001» then pci<=data; elsif
(cop=«010» and conv_integer(regA)=0) then pci<=data; elsif
cop=«011» then r<=pci; pci<=data; elsif
cmd=«11000000000» then pci<=r+1; else pci<=pci+1;
end if; end if; end process;
Qa <= pci;
Qb <=data; a<=regA;
END a;
Счетчик содержит асинхронный сброс Reset. Активным является сигнал высокого уровня. Во вложенных ветвях оператора if происходит проверка условий и синхронная загрузка счетчика команд.
Оператор if используется для ветвления алгоритма по различным условиям. Наиболее простой синтаксис имеет вид:
IF___expression THEN___statement;
END IF;
Вначале проверяется булево выражение boolean-expression, и если оно имеет значение
true, то исполняется последовательный оператор sequential-statement. Возможно использовать предложение else c другим последовательным оператором sequential-statement, который исполняется, если булево выражение имеет значение false. В САПР Quartus II рекомендуется использовать следующий синтаксис оператора if (шаблон):
IF__expression THEN
___statement;
___statement;
ELSIF___expression THEN
___statement;
__statement;
ELSE
__statement;
__statement;
END IF;
Счетчик команд ip и регистр r при инициализации системы по сигналу Reset устанав-
Номер проекта ПЛИС
ливаются в состояние 0, после чего производится счет адресов памяти программ, хранимых в ПЗУ. Регистр г выполняет функцию стека, в который заносится прежнее состояние счетчика команд. Из шины cmd[10..0] для счетчика команд выделяется поле cop[10..8] и поле data[7..0]. Поле cop означает код операции, который используется для идентификации команд JMP, JMPZ и CALL. Для команды RET поле cop не формируется, а задается полный адрес на шине cmd «11000000000», это связано с тем, что 8 младших бит для команд JMP, JMPZ и CALL могут принимать любые значения, а для команды RET — только указанное. Поле data содержит 8-разрядный операнд, который загружается в регистр команд.
ПЗУ реализовано с использованием мегафункции LPM_ROM. В таблице 2 представлены сведения по общему числу задействованных ресурсов ПЛИС. В обоих случаях проект отображается в ПЛИС APEX20KE. На рис. 5 показано тестирование процессора.
Рассмотрим вариант реализации проектируемого процессора с использованием асинхронного ОЗУ (рис. 6). Для этого воспользуемся мегафункцией LPM_RAM_IO. Для того чтобы ОЗУ выполняло функцию ПЗУ, необходимо сигнал разрешения записи we «посадить» на «землю», так как активным является сигнал высокого уровня, а сигнал разрешения вывода outenab подключить к питанию. На рис. 7 показан файл конфигурации ОЗУ для тестирования команды JMPZ c кодом 0205H. По команде 0205H осуществляется переход по адресу, заданному младшим байтом команды (на адрес в ОЗУ под номером 5, где
Add» 1 «0 00 р405 И 1 1 *3 1 +4 1 *5 1 ** 1 *7 1
0505 0605 0205 0402 0403 0000 0000
Рис. 7. Файл конфигурации ОЗУ для тестирования команды JMPZ
Общее число Общее число
логических элементов используемых ESB-бит
С использованием управляющего автомата EP20K30ETC144-1 198/1200 (16%) 2816/24576 (11%) 32
Вариант с асинхронным ПЗУ EP20K30ETC144-1 164/1200 (13%) 2816/24576 (11%) 32
стало (Я
■ И -........ ,_____' .рщ . <** 01
X ■ • •_____!— -r. X ' ‘ ' '■ '_____!-----
Рис. 6. Тестовая схема процессора без использования управляющего автомата с асинхронным ОЗУ в графическом редакторе САПР ПЛИС Quartus II
Таблица 2. Общие сведения по числу задействованных ресурсов ПЛИС APEX20KE
г ~ Г ре» ПО Щш Щп; ЗДп, Щп Щт Щп, |
N«?*
г. md 61
с dk во ( ' f—I ‘—“i 1 i
в 53 end и «Сб ;< эд; ЙВ :« ад
!; оа с и оо п ! | 111 » У 1 в ft т ! } « ..
14 В лы» ИЮ В 1
14 (9 • нею 00 1 !х [Ж ' ' \ fP ! ' ' Ж !
к Ы Ь ноо 00 ,у . . 08 '
' ■ m . н m
Рис. 8. Временные диаграммы работы процессора с асинхронным ОЗУ (тестирование команды JMPZ)
хранится команда 0403H), если содержимое регистра A равно нулю. Чтобы содержимое регистра А оказалось равным нулю, необходимо воспользоваться регистровыми командами 0405H и 0505H для загрузки в регистры А и В числа 5, а затем с помощью команды 0605H (SUB A,B) осуществить операцию A-B (рис. 8).
Данный вариант процессора, реализованный в базисе ПЛИС, можно отнести к классу RISC-процессоров, у которых все команды выполняются за один такт синхрочастоты. Процессор может быть модифицирован путем наращивания блока регистров, добавления блока управления прерываний, добавления блока управления ввода/вывода и других функциональных блоков. Вариант с асинхронным ПЗУ, реализованный в ПЛИС APEX20KE EP20K30ETC144-1, занимает всего лишь 13% от общего числа логических элементов и способен работать на частоте 60 МГц. Модифицированный вариант оказался на 3% компактнее по числу задействованных ресурсов ПЛИС и способен работать с морально устаревшими сериями ПЛИС. Однако процессор без исполь-
зования управляющего автомата может быть пригоден для учебных целей. Недостатком является невозможность поддержки современной концепции синхронного кодирования при разработке микропроцессорных ядер. ■
Литература
1. Сергиенко А. М. УИБЬ для проектирования вычислительных устройств. Киев: ООО «ТИД “ДС”», 2003.
2. Зотов В. Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы Х1ЬШХ. М.: Горячая линия - Телеком, 2006.
3. Тарасов И. Проектирование конфигурируемых процессоров на базе ПЛИС. Часть I // Компоненты и технологии. 2006. № 2.
4. Тарасов И. Проектирование конфигурируемых процессоров на базе ПЛИС. Часть II // Компоненты и технологии. 2006. № 3.
5. Каршенбойм И. Микропроцессор своими руками // Компоненты и технологии. 2002. № 6-7.
6. Каршенбойм И. Микропроцессор своими руками-2. Битовый процессор // Компоненты и технологии. 2003. № 7-8.
