Kimeneti regiszterek, memória, ugró utasítás

A processzor két kimeneti regiszterrel rendelkezik (out0, out1). Ezek a négybites regiszterek az A regiszterből kaphatnak értéket. A kimeneti értékek tárolásához FD4CE tárolót használjon. A megfelelő kimeneti regiszter kiválasztása és az értékadás engedélyezése az OEN vezérlőbitekkel történik. A két kimeneti regiszter értékének kijelzőkön való megjelenítése megjelenítése a Bin_to_7_segment_x4 makróval történik a következő táblázatnak megfelelően.

Négybites CPU tervezés

5.12. ábra - A processzor blokkvázlatának részlete

A processzor az adatok tárolására adatmemóriát (RAM32X4S¹) használ (Harvard architektúra). Az A regiszter értékét, az utasításban megadott című memóriarekeszbe lehet tölteni, vagy a megcímzett memóriarekesz értékét ki lehet olvasni. A memória 32 darab 4 bites adatot tud tárolni. A címzését az utasítás operandusának megfelelő része adja. Írás az MWE vezérlőjel logikai egyes értéke esetén történik.

Oldja meg, hogy az mwe=1 jel esetén az A regiszter értéke töltődjön be a memória utasításban megadott című rekeszébe. Memóriából regiszterbe töltés (rekesz kiolvasása) az mwe=0 jel és az A és B regiszter bemenetét adó multiplexer megfelelő vezérlésével érhető el. Az ALU kimeneti jelzőbitjei (flag-ek) az A és B regiszter változása esetén módosulhatnak. Egy FD4CE tárolóval oldja meg, hogy a jelzőbitek mindig az utolsó ALU művelet eredményét mutassák (ALU műveletnek tekintjük, ha az A és B regiszterek bemenetére az ALU kimeneti értéke kerül).

Normál esetben az utasítás számláló minden utasítás után eggyel növekszik. Ugró utasítás esetén a program végrehajtását az utasításkódban megadott címtől kell folytatni (INSTR(7:0)). Ehhez az utasításszámlálót a következő ciklus előtt módosítani kell. Az ugróutasítás lehet feltétel nélküli, vagy feltételes. Feltétel nélküli ugrás esetén mindenképpen megváltozik az utasításszámláló értéke. A feltételes ugrásnál az ugrás bekövetkezése feltételhez kötött. A feltételeket az ALU ’Z’ (zero), ’C’ (carry), ’O’ (overflow) jelzőbitjei szolgáltatják. Az ugró utasítás előtti ALU művelet módosítja a jelzőbitek értékét, és ennek függvényében az ugróutasítás vagy bekövetkezik (ekkor módosul a PC az utasításban megadott címre), vagy nem következik be (ekkor a PC értéke eggyel növekszik).

5.10. táblázat - Ugró utasítások

U

1RAM32X4S: A memória rendelkezik külön adatbemeneti és külön adatkimeneti porttal. Órajel hatására olvasás mindig, de írás csak egy

Négybites CPU tervezés

te lj e s ül

t

5.13. ábra - A mintaprogram mnemonikjai és utasításkódjai

5.14. ábra - Ki-bemeneti egységek

Négybites CPU tervezés

A szimuláció után próbálja meg letölteni a kapcsoláshoz tartozó konfigurációs fájlt az FPGA-ba és ellenőrizze a működést. A LED-eken az utolsó ALU művelet eredményét jelző FLAG bit értékeket és az órajelet jelenítse meg.

5.11. táblázat - Portkiosztás

P

A

Négybites CPU tervezés

nds

Négybites CPU tervezés

A laborgyakorlaton az előző órák során elkészült négybites CPU-ra saját programot kell készíteni. A processzor INST_MEM nevű utasításmemóriájának kezdeti tartalmát egy VHDL fájl (INST_MEM.vhd) írja le. A fájlban lehetőség van kézzel átírni az egyes rekeszek értékét egy megadott utasítás hexadecimális kódjára. Ezáltal szerkeszthetőek a processzor utasításmemóriájában lévő utasítások. A programkód készítésének egyszerűbb módja, ha az utasításokat azok memonikjaival adjuk meg, majd az így leírt programot egy fordító gépi kódra fordítja le. A laborgyakorlat során a dt4bit_CPU_assembler nevű program (5.15. ábra) segítségével készíthetjük el a forráskódot, fordíthatjuk le gépi kódra és cserélhetjük ki az utasításmemória alapértelmezett tartalmát.

Miután az utasításmemória (INST_MEM.vhd) tartalma megváltozott, az ISE WEBPACK szoftver segítségével újra le kell fordítani a projektet, és lehetőség van a szimulációra, vagy az FPGA-ra való letöltésre. Az így letöltött CPU konfigurációs fájl, már az új programkódot tartalmazza. A Szerkesztő felület-en van lehetőség a program forráskódjának szerkesztésére, ide kell leírni az utasításokat. A fordító számára elérhető utasítások az Elérhető utasítások listája nevű részben található. A szerkesztő felületen csak a következő karakterekhasználhatóak:

• az angol ABC kisbetűi (a..z),

• számjegyek (0…9),

• kettőspont, címke megadására (:),

• tabulátor az utasítások tagolására (TAB),

• enter a sorok elválasztására (ENTER).

Egy sor tagolása a következő kell, hogy legyen:

A címkét és az argumentumot nem kötelező megadni. Ha az utasítás nem tartalmaz argumentumot, akkor az utasítás után új sort kell kezdeni. Ha a sor címkét nem tartalmaz, akkor a sort tabulátorral kell kezdeni, egyébként a címkének kettősponttal megadva kell a sor elején szerepelnie. A címke hossza maximum 3 karakter lehet a kettőspontot nem számolva. Az egyes részeket (címke, utasítás, argumentum) tabulátorral kell elválasztani egymástól. A Forrásfájl műveletek-nél lehetőség van a forráskód elmentésére, vagy egy már meglévő program betöltésére.

5.15. ábra - Fordító program felépítése

A Fordítási opciók terület két gombot tartalmaz, az egyik a Szintaktikai ellenőrzés, ilyenkor a szerkesztőfelületen elkészült programnak a szintaktikai ellenőrzése történik meg. Az esetleges hibaüzenetek a Fordítási üzenetek panelen jelennek meg. Amennyiben szintaktikai hibát vétettünk, a hibaüzenetre kattintva a fordító megjelöli a hibás sort (5.17. ábra). A Fordítási eredmények panelen az utasítások programmemóriában elfoglalt helye, az utasítás és az utasítás hexadecimális kódjalátható. A Fordítás gombot választva először egy szintaktikai elemzés fut le, és ha nem volt szintaktikai hiba a programkódban, a fordító az utasításmemória (INST_MEM.vhd) tartalmát kicseréli az aktuális programkódra. Ebben az esetben a "Szintaktikai ellenőrzés és Fordítás kész!" üzenetet kapjuk.

Első feladatként indítsa el a projektkönyvtárban található assemblerDTcpu4.exe fájlt. Nyissa meg a prog/example_for.txt fájlt (5.16. ábra). A példaprogram egy for ciklust valósít meg. Az első utasítások az input0 bemenet értékét olvassák be, majd az out0 kijelzőt nulla értékre állítják be. Végül az out0 értéke addig fog növekedni, amíg eléri az input0-ról beolvasott értéket. Fordítsa le a programot, majd az ISE WEBPACK szoftver segítségével készítse el az FPGA-ra letölthető konfigurációs fájlt, és töltse le az FPGA fejlesztőpanelre.

Figyelje meg a program működését.

5.16. ábra - Mintaprogram for ciklusra

Négybites CPU tervezés

A programrészlet c szintaktikai megfelelője:

vhd-6. ábra - ../sections/src/codeFor.vhd

5.17. ábra - Mintaprogram for ciklusra, hibaüzenettel