CC BY
72Разработка модели микропроцессорного ядра
в системе визуально-имитационного моделирования MATLAB/Simulink с блоком обработки прерываний
Андрей СТРОГОНОВ, д. т. н.
[email protected] Артем БУСЛОВ [email protected] Максим МОТЫЛЕВ
Данная статья продолжает цикл работ по изучению возможностей системы визуально-имитационного моделирования МА^АВ^тиНпк для проектирования микропроцессорных ядер с последующей реализацией в базисе ПЛИС [1—3]. Здесь предлагается модифицировать систему команд микропроцессорного ядра из работы [4], с целью разработки новых блоков, проектирование которых не рассматривалось в [1—3]: обработка прерываний, регистр флагов, ОЗУ, порт ввода/вывода. Модель процессора имеет 1Р^С-архитектуру (процессор с сокращенным набором команд, инструкции одинаковой длины).
Команды, необходимые для выполнения базовых манипуляций с данными (перенос данных между ПЗУ, регистрами, ОЗУ и стеком, арифметические и логические
операции, операции сравнения, операции условных и безусловного переходов, работа с подпрограммами, операции обработки прерываний), представлены в таблице 1.
С помощью графического редактора моделей Simulink построена модель 8-разрядного микропроцессорного ядра с гарвардской архитектурой (рисунок). Процессор оперирует с числами
Таблица 1. Система команд микропроцессорного ядра
Машинный код команды в шестнадцатиричной системе счисления Код команды в десятичной системе счисления Мнемоника команды Описание команды
0000H 0 NOP Нет операции
0001Н 1 RET Возврат из подпрограммы
0002H 2 Разрешить прерывания
0003H 3 INTOFF Запретить прерывания
0004H 4 PUSHF Сохранение регистра флагов в стеке
0005H 5 POPF Восстановление регистра флагов из стека
0006H 6 PUSH А Сохранение значения регистра А в стеке
0007H 7 PUSH В Сохранение значения регистра В в стеке
0008H 8 PUSH С Сохранение значения регистра С в стеке
0009H 9 PUSH D Сохранение значения регистра D в стеке
000aH 10 PUSH Е Сохранение значения регистра Е в стеке
000ЬН 11 РОР А Восстановление значения регистра А из стека
000сН 12 РОР В Восстановление значения регистра В из стека
000^ 13 РОР С Восстановление значения регистра С из стека
000eH 14 РОР D Восстановление значения регистра D из стека
000Ж 15 РОР Е Восстановление значения регистра Е из стека
0010Н 16 IN А Прочитать данные из порта и записать в регистр А
0011Н 17 IN В Прочитать данные из порта и записать в регистр В
0012Н 18 т с Прочитать данные из порта и записать в регистр С
00Ш 19 IN D Прочитать данные из порта и записать в регистр D
0014Н 20 IN Е Прочитать данные из порта и записать в регистр Е
0015Н 21 ОиТ А Вывести значение регистра А в порт
0016Н 22 Оит В Вывести значение регистра В в порт
0017Н 23 Оит С Вывести значение регистра С в порт
00Ш 24 ОиТ D Вывести значение регистра D в порт
0019H 25 ОиТ Е Вывести значение регистра Е в порт
001aH 26 DEC А Декремент регистра А (вычитание 1)
001bH 27 DEC В Декремент регистра В (вычитание 1)
001cH 28 DEC С Декремент регистра С (вычитание 1)
Машинный код команды в шестнадцатиричной системе счисления Код команды в десятичной системе счисления Мнемоника команды Описание команды
001<^Н 29 DEC D Декремент регистра D (вычитание 1)
001єН 30 DEC Е Декремент регистра Е (вычитание 1)
001Ж 31 INC А Инкремент регистра А (прибавление 1)
0020Н 32 INC В Инкремент регистра В (прибавление 1)
0021Н 33 №С С Инкремент регистра С (прибавление 1)
0022Н 34 INC D Инкремент регистра D (прибавление 1)
0023Н 35 №С Е Инкремент регистра Е (прибавление 1)
0024Н 36 ADD А,В Сложение значений в регистрах А и В, результат помещается в А
0025Н 37 ADD А,С Сложение значений в регистрах А и С, результат помещается в А
0026Н 38 ADD A,D Сложение значений в регистрах А и D, результат помещается в А
0027Н 39 ADD А,Е Сложение значений в регистрах А и Е, результат помещается в А
0028Н 40 SUB А,В Вычитание значений в регистрах А и В, результат помещается в А
0029Н 41 SUB А,С Вычитание значений в регистрах А и С, результат помещается в А
002aH 42 SUB А£ Вычитание значений в регистрах А и D, результат помещается в А
002ЬН 43 SUB А,Е Вычитание значений в регистрах А и Е, результат помещается в А
002сН 44 AND А,В Побитное логическое И значений в регистрах А и В, результат помещается в А
002ЬН 45 AND А,С Побитное логическое И значений в регистрах А и С, результат помещается в А
002єН 46 AND A,D Побитное логическое И значений в регистрах А и D, результат помещается в А
002Ж 47 AND А,Е Побитное логическое И значений в регистрах А и Е, результат помещается в А
0030Н 48 OR А,В Побитное логическое ИЛИ значений в регистрах А и В, результат помещается в А
0031Н 49 OR А,С Побитное логическое ИЛИ значений в регистрах А и С, результат помещается в А
0032Н 50 OR A,D Побитное логическое ИЛИ значений в регистрах А и D, результат помещается в А
Таблица 1. Система команд микропроцессорного ядра (окончание)
Машинный код команды в шестнадцатиричной системе счисления Код команды в десятичной системе счисления Мнемоника команды Описание команды
0033H 51 OR A,E Побитное логическое ИЛИ значений в регистрах А и Е, результат помещается в А
0034H 52 XOR A,B Побитное логическое ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ значений в регистрах А и В, результат помещается в А
0035H 53 XOR A,C Побитное логическое ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ значений в регистрах А и С, результат помещается в А
0036H 54 XOR A,D Побитное логическое ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ значений в регистрах А и D, результат помещается в А
0037H 55 XOR A,E Побитное логическое ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ значений в регистрах А и Е, результат помещается в А
003SH 56 MOV A,B Загрузка в регистр А значения, содержащегося в регистре В
0039H 57 MOV A,C Загрузка в регистр А значения, содержащегося в регистре С
003aH 58 MOV A,D Загрузка в регистр А значения, содержащегося в регистре D
003bH 59 MOV A,E Загрузка в регистр А значения, содержащегося в регистре Е
003cH 60 MOV B,A Загрузка в регистр В значения, содержащегося в регистре А
003dH 61 MOV B,C Загрузка в регистр В значения, содержащегося в регистре С
003eH 62 MOV B,D Загрузка в регистр В значения, содержащегося в регистре D
003fH 63 MOV B,E Загрузка в регистр В значения, содержащегося в регистре Е
0040H 64 MOV C,A Загрузка в регистр С значения, содержащегося в регистре А
0041H 65 MOV C,B Загрузка в регистр С значения, содержащегося в регистре В
0042H 66 MOV C,D Загрузка в регистр С значения, содержащегося в регистре D
0043H 67 MOV C,E Загрузка в регистр С значения, содержащегося в регистре Е
0044H 68 MOV D,A Загрузка в регистр D значения, содержащегося в регистре А
0045H 69 MOV D,B Загрузка в регистр D значения, содержащегося в регистре В
0046H 70 MOV D,C Загрузка в регистр D значения, содержащегося в регистре С
0047H 71 MOV D,E Загрузка в регистр D значения, содержащегося в регистре Е
004SH 72 MOV E,A Загрузка в регистр Е значения, содержащегося в регистре А
0049H 73 MOV E,B Загрузка в регистр Е значения, содержащегося в регистре В
004aH 74 MOV E,C Загрузка в регистр Е значения, содержащегося в регистре С
004bH 75 MOV E,D Загрузка в регистр Е значения, содержащегося в регистре D
004cH 76 CMP A,B Команда сравнения: из А вычитается В, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
004dH 77 CMP A,C Команда сравнения: из А вычитается С, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
004eH 78 CMP A,D Команда сравнения: из А вычитается D, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
004fH 79 CMP A,E Команда сравнения: из А вычитается Е, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
0050H SO CMP B,A Команда сравнения: из В вычитается А, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
0051H 81 CMP B,C Команда сравнения: из В вычитается С, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
0052H 82 CMP B,D Команда сравнения: из В вычитается D, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
0053H 83 CMP B,E Команда сравнения: из В вычитается Е, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
0054H 84 CMP C,A Команда сравнения: из С вычитается А, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
0055H 85 CMP C,B Команда сравнения: из С вычитается В, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
0056H 86 CMP C,D Команда сравнения: из С вычитается D, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
0057H 87 CMP C,E Команда сравнения: из С вычитается Е, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
005SH 88 CMP D,A Команда сравнения: из D вычитается А, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
0059H 89 CMP D,B Команда сравнения: из D вычитается В, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
005aH 90 CMP D,C Команда сравнения: из D вычитается С, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
Машинный код команды в шестнадцатиричной системе счисления Код команды в десятичной системе счисления Мнемоника команды Описание команды
005bH 91 CMP D,E Команда сравнения: из D вычитается Е, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
005cH 92 CMP E,A Команда сравнения: из Е вычитается А, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
005dH 93 CMP E,B Команда сравнения: из Е вычитается В, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
005eH 94 CMP E,C Команда сравнения: из Е вычитается С, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
005fH 95 CMP E,D Команда сравнения: из Е вычитается D, выставляются флаги, но результат никуда не записывается
0060H 96 XCHG A,B Обмен местами значений в регистрах А и В
0061H 97 XCHG A,C Обмен местами значений в регистрах А и С
0062H 98 XCHG A,D Обмен местами значений в регистрах А и D
0063H 99 XCHG A,E Обмен местами значений в регистрах А и Е
0064H 100 XCHG B,C Обмен местами значений в регистрах В и С
0065H 101 XCHG B,D Обмен местами значений в регистрах В и D
0066H 102 XCHG B,E Обмен местами значений в регистрах В и Е
0067H 103 XCHG C,D Обмен местами значений в регистрах С и D
0068H 104 XCHG C,E Обмен местами значений в регистрах С и Е
0069H 105 XCHG D,E Обмен местами значений в регистрах D и Е
01xxH 256-511 JMP Безусловный переход по адресу хх
02xxH 512-767 JZ xx Переход к адресу хх, если флаг ZF = 1
03xxH 768-1023 JNZ xx Переход к адресу хх, если флаг ZF = 0
04xxH 1024-1279 JO xx Переход к адресу хх, если флаг OF = 1
05xxH 1280-1535 JNO xx Переход к адресу хх, если флаг OF = 0
06xxH 2816-3071 CALL Вызов подпрограммы по адресу, заданному младшим байтом команды
07xxH 1536-1791 CMP A,xx Сравнение содержимого регистра А и числа хх. При этом вычисляются флаги
08xxH 1792-2047 CMP B,xx Сравнение содержимого регистра В и числа хх. При этом вычисляются флаги
09xxH 2048-2303 CMP C,xx Сравнение содержимого регистра С и числа хх. При этом вычисляются флаги
OaxxH 2304-2559 CMP D,xx Сравнение содержимого регистра D и числа хх. При этом вычисляются флаги
ObxxH 2560-2815 CMP E,xx Сравнение содержимого регистра Е и числа хх. При этом вычисляются флаги
OcxxH 3072-3327 MOV A,xx Непосредственная загрузка в регистр А значения, заданного младшим байтом команды
OdxxH 3328-3583 MOV B,xx Непосредственная загрузка в регистр В значения, заданного младшим байтом команды
OexxH 3584-3839 MOV C,xx Непосредственная загрузка в регистр С значения, заданного младшим байтом команды
OfxxH 3840-4095 MOV D,xx Непосредственная загрузка в регистр D значения, заданного младшим байтом команды
10xxH 4096-4351 MOV E,xx Непосредственная загрузка в регистр Е значения, заданного младшим байтом команды
11xxH 4352-4607 MOV A,[xx] Непосредственная загрузка в регистр А содержимого ОЗУ по адресу хх
12xxH 4608-4863 MOV B,[xx] Непосредственная загрузка в регистр В содержимого ОЗУ по адресу хх
13xxH 4864-5119 MOV C,[xx] Непосредственная загрузка в регистр С содержимого ОЗУ по адресу хх
14xxH 5120-5375 MOV D,[xx] Непосредственная загрузка в регистр D содержимого ОЗУ по адресу хх
15xxH 5376-5631 MOV E,[xx] Непосредственная загрузка в регистр Е содержимого ОЗУ по адресу хх
16xxH 5632-5887 MOV [xx],A Непосредственная загрузка в ячейку ОЗУ по адресу хх значения регистра А
17xxH 5888-6143 MOV [xx],B Непосредственная загрузка в ячейку ОЗУ по адресу хх значения регистра В
18xxH 6144-6399 MOV [xx],C Непосредственная загрузка в ячейку ОЗУ по адресу хх значения регистра С
19xxH 6400-6655 MOV [xx],D Непосредственная загрузка в ячейку ОЗУ по адресу хх значения регистра D
1axxH 6656-6911 MOV [xx],E Непосредственная загрузка в ячейку ОЗУ по адресу хх значения регистра Е
в формате uint8 (целые положительные десятичные числа, представленные с 8-разрядной точностью). Ядро содержит следующие блоки: арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU); постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM); оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, OZU); стек (Stack); 8 регистров общего назначения (РОН, RON); 3 регистра специального назначения (РСН, RSN); порт ввода/вывода (Port); блок обработки прерываний (Block Int); разделитель полей команды (CmdCut).
Блок Signal Builder (рисунок) — виртуальная кнопка. В заданное время блок генерирует им-
пульс прямоугольной формы. Выходное значение этого блока зависит от времени и определяется в свойствах компонента Signal Builder. Сигнал с блока Signal Builder поступает в блок обработки прерываний. На схеме (рисунок) присутствуют элементы задержки (Unit Delay), которые необходимы для того, чтобы модель при симулировании не зацикливалась (ошибка Arithmetic Loop), то есть чтобы в каждый момент времени производился только один цикл расчета выходных значений со всех блоков.
В ПЗУ хранится программа, которую выполняет процессор. В ПЗУ в качестве вход-
ного параметра поступает текущий адрес программы, выходным параметром является инструкция в числовом формате uint16 (целое положительное десятичное число, представленное с 16-разрядной точностью).
ПЗУ построено с использованием компонента Lookup Table (Lookup ROM), который представляется одномерным массивом или таблицей с двумя колонками, согласно которым всем возможным входным значениям соответствуют некоторые выходные значения, определенные самой программой (рис. 2 в [1]).
Рисунок. Модель 8-разрядного микропроцессорного ядра в системе MATLAB/Simulink
Программа записывается в ПЗУ в виде последовательности десятичных чисел, полученных посредством перевода машинных инструкций из шестнадцатиричной системы счисления в десятичную при помощи системы команд (табл. 1).
Процессор может манипулировать только 8-разрядными данными, а в ПЗУ инструкции хранятся в виде 16-разрядных слов, поэтому необходимо разделить двухбайтное число на два однобайтных: старшее и младшее. Это происходит в блоке разделения полей команды.
Процессор имеет 5 регистров общего назначения (РОН), непосредственно доступных программисту для написания программы. Эти регистры (A, B, C, D, E) объединены в отдельный блок и имеют идентичное устройство. Регистры выполнены на библиотечном компоненте Memory (RegistrA, RegistrB и т. д.). Компонент Memory через элемент задержки в один такт выходному значению присваивает входное. Поэтому для регистров не нужны дополнительные элементы задержки Unit Delay, как, например, для блоков Port или Stack.
Помимо пользовательских есть еще три специальных регистра (РСН). Программист не может изменять их напрямую, а только
косвенно при выполнении определенных команд. Специальные регистры, как и пользовательские регистры, выполнены на компонентах Memory, которые с задержкой в один такт передают сигнал со входа на выход.
Ip — 8-разрядный регистр, использующийся для хранения текущего адреса программы. Процессор выполняет любую команду за один цикл, поэтому по умолчанию Ip увеличивается с каждым циклом синхрочастоты на единицу. При условном или безусловном переходе или при вызове подпрограммы в регистр Ip непосредственно загружается адрес следующей команды.
R — 8-разрядный регистр-указатель вершины стека. Стек имеет размер 256 ячеек, однако используется из них только 255, при этом его адресация — от 255 до 0. Указатель вершины стека инициализируется числом 255 и это символизирует то, что в стек еще ничего не было записано. Первая запись в стек производится по адресу 254, при этом указатель стека сдвигается вниз и также становится равным 254, и на выходе из стека появляется содержимое 254-й ячейки.
В процессе работы программы содержимое регистра R изменяется. Оно показыва-
ет количество свободных ячеек в стеке. При «вталкивании» числа в стек (команда PUSH в табл. 1) значение регистра R уменьшается, а при «выталкивании» из стека (команда POP) — увеличивается.
Flags — двухразрядный регистр, отображающий состояние программы. Младший разряд содержит флаг нуля (ZF), а старший — флаг переполнения (OF). Флаги вычисляются после выполнения арифметических, логических и команд сравнения. После выполнения команд переноса (MOV), команд работы с внешним портом и команд работы со стеком флаги не вычисляются. Значения флагов определяют, будет или не будет выполняться условный переход (табл. 1).
Оперативное запоминающее устройство (блок OZU, рисунок) предназначено для хранения обрабатываемых программой данных. Размер ОЗУ — 256 ячеек по 8 бит. ОЗУ имеет три входных сигнала: сигнал данных InData, адреса Addr и разрешение записи Enable и один выход данных OutData. M-файл блока ОЗУ приведен в примере 1. Чтобы входные и выходные данные не зацикливались (они образуют вместе с АЛУ цикл), добавлен элемент задержки Unit Delay 1.
function OutData = ozu(InData, Addr, Enable) persistent MData; if (isempty(MData))
MData = zeros(1, 256, ‘uint8’);
end
if (Enable == 1)
MData(Addr + 1) = InData;
end
OutData = MData(Addr + 1);
Пример 1. M-файл ОЗУ микропроцессорного ядра
обработки прерываний в виде M-файла приведено в примере 3.
function Int = block_int(FromButton, IntEnable) if (IntEnable == 1)
Int = uint8(FromButton);
else
Int = uint8(0);
end
Пример 3. M-файл блока обработки прерываний
Для описания работы ОЗУ (емкость 256 строк х 8 бит) используется полугло-бальный одномерный массив MData. Массив создается при помощи встроенной функции zeros, в качестве параметров которой передается номер первого элемента массива — 1, последнего элемента — 256 и тип данных ячеек массива — uint8. При объявлении массива невозможно начать нумерацию его ячеек с нуля, поэтому при записи и чтении данных из ОЗУ приходится сдвигать адрес на единицу. При наличии сигнала Enable (режим записи) входные данные записываются по адресу Addr + 1. На выходе постоянно присутствуют выходные данные, которые считываются также по адресу Addr + 1. Для записи данных в ОЗУ используются команды MOV [xx], A; MOV [xx], B и т. д., а для чтения — MOV A, [xx]; MOV B, [xx] и т. д. (табл. 1).
Стек спроектирован на базе ОЗУ. Однако читать из стека можно только в порядке, обратном записи, и никак иначе, то есть число, записанное в стек последним, прочитается из него первым, следующим прочитается предпоследнее и т. д. На адресный вход блока стека передается значение регистра R из АЛУ, который указывает вершину стека и одновременно количество свободных ячеек в стеке. Программное описание блока стека приведено в примере 2.
При выполнении команды CALL (запуск подпрограммы) стек используется автоматически. В стек сохраняется значение регистра счетчика команд Ip+1 (адрес, следующий за командой CALL), при этом также осуществляется сдвиг указателя вершины стека R. При возврате из подпрограммы (команда RET) из стека восстанавливается регистр Ip. Это позволяет использовать вложенные подпрограммы до 255 уровней. Программист может работать со стеком напрямую, используя команды PUSHF, POPF, PUSH A, POP A и т. п. (табл. 1).
В разрабатываемой модели процессора реализованы скалярные внешние прерывания. Для управления прерываниями имеется специальный блок (block_int). Описание блока
Если прерывания разрешены (IntEnable == 1), тогда на выход (Int) подается сигнал FromButton с внешнего устройства (Signal Builder). Разрешать или запрещать прерывания следует программно, используя команды INTON (разрешить прерывания) и INTOFF (запретить прерывания). При инициализации процессора прерывания запрещены, поэтому в начале программы нужно их разрешить. При выполнении условия elseif (Int == 1)&& (InIntEnable == 1) прерывания автоматически запрещаются командой OutIntEnable = false. Приведем фрагмент М-файла АЛУ, в котором описана данная ситуация:
elseif (Int == 1)&&(InIntEnable == 1) %Произошло прерывание
OutSData = InIp;
SEnable = true;
OutR = InR - 1;
OutIp = uint8(1);
OutIntEnable = false; %оАппаратный запрет прерываний
Если Int = 0, значит прерывания нет, если же Int отлично от нуля, то в нем находится код прерывания. По этому коду можно определить устройство, которое вызвало прерывание.
При возникновении прерывания текущая программа останавливается, значение Ip сохраняется в стек, и процессор переходит к выполнению подпрограммы прерывания. В подпрограмме необходимо запретить прерывания и сохранить пользовательские регистры и регистр флагов в стек. Перед выходом из подпрограммы прерываний нужно восстановить регистры из стека и снова разрешить прерывания. Пример подпрограммы прерываний приведен ниже (пример 4).
00 JMP 14 Перепрыгиваем подпрограмму прерываний
01 INTOFF Начинаем обработку прерывания.
Запрещаем другие прерывания
02 PUSH A Сохраняем содержимое регистра A в стек
03 PUSH B Сохраняем содержимое регистра B в стек
04 PUSH C Сохраняем содержимое регистра C в стек
05 PUSH D Сохраняем содержимое регистра D в стек
06 PUSH E Сохраняем содержимое регистра E в стек
07 PUSHF Сохраняем содержимое регистра флагов в стек
08 IN A Читаем данные из входного порта в регистр A
09 IN B Читаем данные из входного порта в регистр B
0A XOR A,B Исключающее ИЛИ регистров A и B,
результат помещаем в A
0B OUT A Выводим значение регистра A во входной порт
0C POPF Восстанавливаем содержимое регистра флагов из стека
0D POP E Восстанавливаем содержимое регистра E из стека
0E POP D Восстанавливаем содержимое регистра D из стека
0F POP C Восстанавливаем содержимое регистра C из стека
10 POP B Восстанавливаем содержимое регистра B из стека
11 POP A Восстанавливаем содержимое регистра A из стека
12 INTON Снова разрешаем прерывания
13 RET Возвращаемся из подпрограммы обработки
прерываний
14 ...
Пример 4. Подпрограмма прерываний
function OutData = stack(InData, Enable, Addr) persistent SData; if (isempty(SData))
SData = zeros(1, 256, ‘uint8’);
end
if (Enable == 1)
SData(Addr + 1) = InData;
end
OutData = SData(Addr + 1);
Пример 2. M-файл стека микропроцессорного ядра
Пример 4 показывает, как должна быть оформлена подпрограмма прерываний. Начало программы должно находиться по адресу 0x01, длина программы произвольна и ограничивается только емкостью ПЗУ (256 команд).
Для взаимодействия с внешними устройствами предусмотрен порт ввода/вывода. Программное описание этого блока приведено в примере 5.
function OutData = port(InData, WEnable, REnable)
persistent RandomPort; if (isempty(RandomPort))
RandomPort = uint8(34);
end
if (REnable == 1)
RandomPort(1) = uint8(43);
end
if (WEnable == 1)
RandomPort(1) = InData;
end
OutData = RandomPort(1);
Пример 5. M-файла блока порта ввода/вывода
Для имитации работы блока порта ввода/вывода (команды IN и OUT) и блока обработки прерываний, порт инициализируется десятичным числом 34, а затем при выполнении условия REnable == 1 в порт заносится число 43. Это было сделано для того, чтобы можно было прочитать из порта два разных числа (см. подпрограмму прерываний, пример 4).
Арифметико-логическое устройство (блок ALU на рисунке) представляет собой управляющий автомат и предназначено для идентификации и выполнения команд, поступающих из ПЗУ через разделитель полей команды. Также в нем происходит обновление регистров, если они не используются в текущей команде, или их пересчет, если используются. Счетчик команд встроен в АЛУ. Пример 6 показывает M-файл арифметико-логического устройства.
function [OutA, OutB, OutC, OutD, OutE, OutIp, OutR, OutMData, OutAddr,...
MEnable, OutSData, SEnable, OutPort, OutFlags, PortWEnable, ... PortREnable, OutIntEnable]...
= alu(InCmd, InData, InA, InB, InC, InD, InE, InIp, InR, InMData,...
InSData, InPort, Int, InFlags, InIntEnable)
% Обновление регистров OutA = InA;
OutB = InB;
OutC = InC;
OutD = InD;
OutE = InE;
OutR = InR;
OutFlags = InFlags;
MEnable = false;
OutAddr = uint8(0);
OutMData = uint8(0);
SEnable = false;
OutSData = uint8(0);
OutPort = uint8(0);
PortWEnable = false;
PortREnable = false;
OutIntEnable = InIntEnable;
if (Int == 0)ll(InIntEnable == 0) %Обработка прерываний
OutIp = InIp + 1; %Увеличение содержимого счетчика команд
switch InCmd
case О %Команды, не содержащие байт данных switch InData case О %NOP case 1 %RET
OutIp = InSData;
OutR = InR + 1; case 2 %INTON
OutIntEnable = true; case 3 %INTOFF
OutIntEnable = false; case 4 %PUSHF
OutSData = uint8(InFlags);
SEnable = true;
OutR = InR - 1; case 5 %POPF
OutFlags = fi(InSData, О, 2, О);
OutR = InR + 1; case б %PUSH A OutSData = InA;
SEnable = true;
OutR = InR - 1; case 7 %PUSH B OutSData = InB;
SEnable = true;
OutR = InR - 1; case 8 %PUSH C OutSData = InC;
SEnable = true;
OutR = InR - 1; case 9 %PUSH D OutSData = InD;
SEnable = true;
OutR = InR - 1; case 1О %PUSH E OutSData = InE;
SEnable = true;
OutR = InR - 1; case 11 %POP A OutA = InSData;
OutR = InR + 1; case 12 %POP B OutB = InSData;
OutR = InR + 1; case 13 %POP C OutC = InSData;
OutR = InR + 1; case 14 %POP D OutD = InSData;
OutR = InR + 1; case 15 %POP E OutE = InSData;
OutR = InR + 1; case 1б %IN A OutA = InPort;
PortREnable = true; case 17 %IN B OutB = InPort;
PortREnable = true; case 18 %IN C OutC = InPort;
PortREnable = true; case 19 %IN D OutD = InPort;
PortREnable = true; case 2О %IN E OutE = InPort;
PortREnable = true; case 21 %OUT A OutPort = InA;
PortWEnable = true; case 22 %OUT B OutPort = InB;
PortWEnable = true; case 23 %OUT C OutPort = InC;
PortWEnable = true; case 24 %OUT D OutPort = InD;
PortWEnable = true; case 25 %OUT E OutPort = InE;
PortWEnable = true; case 2б %DEC A
[OutA, OutFlags] = f_sub(InA, 1); case 27 %DEC B
[OutB, OutFlags] = f_sub(InB, 1); case 28 %DEC C
[OutC, OutFlags] = f_sub(InC, 1); case 29 %DEC D
[OutD, OutFlags] = f_sub(InD, 1); case ЗО %DEC E
[OutE, OutFlags] = f_sub(InE, 1); case 31 %INC A
[OutA, OutFlags] = f_sum(InA, 1); case 32 %INC B
[OutB, OutFlags] = f_sum(InB, 1); case 33 %INC C
[OutC, OutFlags] = f_sum(InC, 1); case 34 %INC D
[OutD, OutFlags] = f_sum(InD, 1); case 35 %INC E
[OutE, OutFlags] = f_sum(InE, 1); case 36 %ADD A,B
[OutA, OutFlags] = f_sum(InA, InB); case 37 %ADD A,C
[OutA, OutFlags] = f_sum(InA, InC); case 38 %ADD A,D
[OutA, OutFlags] = f_sum(InA, InD); case 39 %ADD A,E
[OutA, OutFlags] = f_sum(InA, InE); case 40 %SUB A,B
[OutA, OutFlags] = f_sub(InA, InB); case 41 %SUB A,C
[OutA, OutFlags] = f_sub(InA, InC); case 42 %SUB A,D
[OutA, OutFlags] = f_sub(InA, InD); case 43 %SUB A,E
[OutA, OutFlags] = f_sub(InA, InE); case 44 %AND A,B
[OutA, OutFlags] = f_and(InA, InB); case 45 %AND A,C
[OutA, OutFlags] = f_and(InA, InC); case 46 %AND A,D
[OutA, OutFlags] = f_and(InA, InD); case 47 %AND A,E
[OutA, OutFlags] = f_and(InA, InE); case 48 %OR A,B
[OutA, OutFlags] = f_or(InA, InB); case 49 %OR A,C
[OutA, OutFlags] = f_or(InA, InC); case 50 %OR A,D
[OutA, OutFlags] = f_or(InA, InD); case 51 %OR A,E
[OutA, OutFlags] = f_or(InA, InE); case 52 %XOR A,B
[OutA, OutFlags] = f_xor(InA, InB); case 53 %XOR A,C
[OutA, OutFlags] = f_xor(InA, InC); case 54 %XOR A,D
[OutA, OutFlags] = f_xor(InA, InD); case 55 %XOR A,E
[OutA, OutFlags] = f_xor(InA, InE); case 56 %MOV A,B OutA = InB; case 57 %MOV A,C OutA = InC; case 58 %MOV A,D OutA = InD; case 59 %MOV A,E OutA = InE; case 60 %MOV B,A OutB = InA; case 61 %MOV B,C OutB = InC; case 62 %MOV B,D OutB = InD; case 63 %MOV B,E OutB = InE; case 64 %MOV C,A OutC = InA; case 65 %MOV C,B OutC = InB; case 66 %MOV C,D OutC = InD; case 67 %MOV C,E OutC = InE; case 68 %MOV D,A OutD = InA; case 69 %MOV D,B OutD = InB; case 70 %MOV D,C OutD = InC; case 71 %MOV D,E OutD = InE; case 72 %MOV E,A OutE = InA; case 73 %MOV E,B OutE = InB; case 74 %MOV E,C OutE = InC; case 75 %MOV E,D OutE = InD; case 76 %CMP A,B
OutFlags = f_cmp(InA, InB); case 77 %CMP A,C
OutFlags = f_cmp(InA, InC); case 78 %CMP A,D
OutFlags = f_cmp(InA, InD); case 79 %CMP A,E
OutFlags = f_cmp(InA, InE); case 80 %CMP B,A
OutFlags = f_cmp(InB, InA); case 81 %CMP B,C
OutFlags = f_cmp(InB, InC); case 82 %CMP B,D
OutFlags = f_cmp(InB, InD); case 83 %CMP B,E
OutFlags = f_cmp(InB, InE); case 84 %CMP C,A
OutFlags = f_cmp(InC, InA); case 85 %CMP C,B
OutFlags = f_cmp(InC, InB); case 8б %CMP C,D
OutFlags = f_cmp(InC, InD); case 87 %CMP C,E
OutFlags = f_cmp(InC, InE); case 88 %CMP D,A
OutFlags = f_cmp(InD, InA); case 89 %CMP D,B
OutFlags = f_cmp(InD, InB); case 9О %CMP D,C
OutFlags = f_cmp(InD, InC); case 91 %CMP D,E
OutFlags = f_cmp(InD, InE); case 92 %CMP E,A
OutFlags = f_cmp(InE, InA); case 93 %CMP E,B
OutFlags = f_cmp(InE, InB); case 94 %CMP E,C
OutFlags = f_cmp(InE, InC); case 95 %CMP E,D
OutFlags = f_cmp(InE, InD); case 9б %XCHG A,B X = InB;
OutB = InA;
OutA = X; case 97 %XCHG A,C X = InC;
OutC = InA;
OutA = X; case 98 %XCHG A,D X = InD;
OutD = InA;
OutA = X; case 99 %XCHG A,E X = InE;
OutE = InA;
OutA = X; case 1ОО %XCHG B,C X = InC;
OutC = InB;
OutB = X; case 1О1 %XCHG B,D X = InD;
OutD = InB;
OutB = X; case 1О2 %XCHG B,E X = InE;
OutE = InB;
OutB = X; case 1ОЗ %XCHG C,D X = InD;
OutD = InC;
OutC = X; case 1О4 %XCHG C,E X = InE;
OutE = InC;
OutC = X; case 1О5 %XCHG D,E X = InE;
OutE = InD;
OutD = X;
end
%Команды, работающие с байтом данных case 1 %JMP
% Jump to new command OutIp = InData; case 2 %JZ xx % Jump to new command if ZF=1 if (bitget(InFlags, 1) == 1)
OutIp = InData; end
case 3 %JNZ xx
% Jump to new command if ZF^ if (bitget(InFlags, 1) ~= 1)
OutIp = InData; end case 4 %JO xx % Jump to new command if ZO=1 if (bitget(InFlags, 2) == 1)
OutIp = InData; end
case 5 %JNO xx
% Jump to new command if ZO^ if (bitget(InFlags, 2) ~= 1)
OutIp = InData; end case б %CALL OutSData = InIp + 1;
SEnable = true;
OutR = InR - 1;
OutIp = InData; case 7 %CMP A,xx OutFlags = f_cmp(InA, InData); case 8 %CMP B,xx OutFlags = f_cmp(InB, InData); case 9 %CMP C,xx OutFlags = f_cmp(InC, InData); case 1О %CMP D,xx
OutFlags = f_cmp(InD, InData); case 11 %CMP E,xx OutFlags = f_cmp(InE, InData); case 12 %MOV A,xx OutA = InData; case 13 %MOV B,xx OutB = InData; case 14 %MOV C,xx OutC = InData; case 15 %MOV D,xx OutD = InData; case 16 %MOV E,xx OutE = InData; case 17 %MOV A,[xx]
OutAddr = InData;
OutA = InMData; case 18 %MOV B,[xx]
OutAddr = InData;
OutB = InMData; case 19 %MOV C,[xx]
OutAddr = InData;
OutC = InMData; case 20 %MOV D,[xx]
OutAddr = InData;
OutD = InMData; case 21 %MOV E,[xx]
OutAddr = InData;
OutE = InMData; case 22 %MOV [xx],A OutAddr = InData;
OutMData = InA;
MEnable = true; case 23 %MOV [xx],B OutAddr = InData;
OutMData = InB;
MEnable = true; case 24 %MOV [xx],C OutAddr = InData;
OutMData = InC;
MEnable = true; case 25 %MOV [xx],D OutAddr = InData;
OutMData = InD;
MEnable = true; case 26 %MOV [xx],E OutAddr = InData;
OutMData = InE;
MEnable = true;
end
elseif (Int == 1)&&(InIntEnable == 1) %Произошло прерывание OutSData = InIp;
SEnable = true;
OutR = InR - 1;
OutIp = uint8(1);
OutIntEnable = false; %Аппаратный запрет прерываний else
OutIp = InIp; end
function [sum, flags] = f_sum(x1, x2)
%Сложение с вычислением флагов
x1_tmp = fi(x1, 0, 9, 0);
x2_tmp = fi(x2, 0, 9, 0);
sum_tmp = fi(x1_tmp + x2_tmp, 0, 9, 0);
if (sum_tmp == 0) b_zero = fi(1, 0, 1, 0); else
b_zero = fi(0, 0, 1, 0); end
b_overflow = fi(bitget(sum_tmp, 9), 0, 1, 0); flags = fi(bitconcat(b_overflow, b_zero), 0, 2, 0); sum = uint8(sum_tmp);
function [sub, flags] = f_sub(x1, x2)
%Вычитание с вычислением флагов
x1_tmp = fi(x1, 0, 9, 0); x2_tmp = fi(x2, 0, 9, 0); sub_tmp = fi(x1_tmp - x2_tmp, 0, 9, 0);
if (sub_tmp == 0) b_zero = fi(1, 0, 1, 0); else
b_zero = fi(0, 0, 1, 0); end
b_overflow = fi(bitget(sub_tmp, 9), 0, 1, 0); flags = fi(bitconcat(b_overflow, b_zero), 0, 2, 0); sub = uint8(sub_tmp);
function [res, flags] = f_and(x1, x2)
%AND with flags
res = bitand(x1, x2); if (res == 0)
b_zero = fi(1, 0, 1, 0); else
b_zero = fi(0, 0, 1, 0); end
flags = fi(b_zero, 0, 2, 0);
моделирование работы
function [res, flags] = f_or(x1, x2)
%OR with flags
res = bitor(x1, x2); if (res == 0)
b_zero = fi(1, 0, 1, 0); else
b_zero = fi(0, 0, 1, 0); end
flags = fi(b_zero, 0, 2, 0);
function [res, flags] = f_xor(x1, x2)
%XOR with flags
res = bitxor(x1, x2); if (res == 0)
b_zero = fi(1, 0, 1, 0); else
b_zero = fi(0, 0, 1, 0); end
flags = fi(b_zero, 0, 2, 0);
function flags = f_cmp(x1, x2)
%Compare with flags
x1_tmp = fi(x1, 0, 9, 0); x2_tmp = fi(x2, 0, 9, 0); sub_tmp = fi(x1_tmp - x2_tmp, 0, 9, 0);
if (sub_tmp == 0) b_zero = fi(1, 0, 1, 0); else
b_zero = fi(0, 0, 1, 0); end
b_overflow = fi(bitget(sub_tmp, 9), 0, 1, 0); flags = fi(bitconcat(b_overflow, b_zero), 0, 2, 0);
Пример 6. M-файла арифметико-логического устройства
В начале листинга идет обновление регистров. Далее — оператор выбора switch, в котором перебираются все машинные инструкции и соответственно действия, выполняемые по приходу той или иной инструкции. В конце листинга — объявленные пользовательские функции для арифметического и логического вычислений и сравнения с учетом флагов. Рассмотрим одну из этих функций подробно (function [sum, flags] = f_sum (x1, x2)).
Для детектирования флага переполнения создаем временные переменные размером на один бит больше, чем входные значения (x1_tmp = fi (x1, 0, 9, 0); x2_tmp = fi (x2, 0, 9, 0);). Далее суммируем временные переменные и результат помещаем в третью временную переменную (sum_tmp = fi (x1_tmp + x2_tmp, 0, 9, 0);). sum_tmp также имеет разрядность 9 бит. Затем проверяем, не нулевой ли получился результат. Если нулевой, тогда b_zero = 1, иначе b_zero = 0, то есть получаем флаг нуля. Далее вычисляем флаг переполнения. Для этого проверяем последний, девятый бит временной переменной sum_tmp. Если он нулевой, значит переполнения нет, иначе — есть, другими словами, этот девятый бит и будет флагом переполнения. Теперь можно с помощью функции bitconcat соединить флаги в одну переменную и преобразовать сумму в привычный формат uint8. Остальные функции с вычислением флагов работают аналогичным образом.
Система MATLAB/Simulink может быть эффективно использована для ускорения процесса разработки моделей микропроцессорных ядер, однако с добавлением новых блоков и переработкой системы команд значительно усложняется управляющий ав-
проектирование іібі
Таблица 2. Эксперимент с тестовой программой и подпрограммой обработки прерываний
Адрес Мнемоника HEX DEC
Тестовая программа |
00 JMP 13 0113H 275
13 INTON 0002H 2
14 MOV A,10 0C10H 3088
15 MOV B,10 OD10H 3344
16 CMP A,B 004CH 76
17 JZ 19 0219H 537
18 MOV A,13 0C13H 3091
19 DEC A 001AH 26
1A JNZ 19 0319H 793
1B CMP B,10 0810H 2064
1C JZ 1E 021EH 542
1D MOV B,0F 0D0FH 3343
1E MOV A,FA 0CFAH 3322
1F ADD A,B 0024H 36
20 JO 22 0422H 1058
21 MOV B,11 0D11H 3345
22 MOV A,03 0C03H 3075
23 ADD A,B 0024H 36
24 JNO 26 0526H 1318
25 MOV A,1E 0C1EH 3102
26 MOV A,32 0C32H 3122
27 NOP 0000H 0
28 JMP 27 0127H 295
29 NOP 0000H 0
Подпрограмма обработки прерываний |
01 PUSH A 0006H 6
02 PUSH B 0007H 7
03 PUSH C 0008H 8
04 PUSH D 0009H 9
05 PUSH E 000AH 10
06 PUSHF 0004H 4
07 IN A 0010H 16
08 IN B 0011H 17
09 XOR A,B 0034H 52
0A OUT A 0015H 21
0B POPF 0005H 5
0C POP E 000FH 15
0D POP D 000EH 14
0E POP C 000DH 13
0F POP B 000CH 12
10 POP A 000BH 11
11 INTON 0002H 2
12 RET 0001H 1
томат, на базе которого разработано АЛУ. Читателю предлагается самостоятельно, в режиме отладки, провести эксперименты с тестовой программой и подпрограммой обработки прерываний (табл. 2). ■
Литература
1. Строгонов А. В., Буслов А. И. Проектирование учебного процессора для реализации в базисе ПЛИС с использованием системы МА^АВ/ Simulink // Компоненты и технологии. 2009.
№ 5.
2. Строгонов А. В. Проектирование учебного процессора с фиксированной запятой в системе МаАаЬ/этиЦпк / А. В. Строгонов // Компоненты и технологии. 2009. № 7.
3. Строгонов А. В., Цыбин С. А., Буслов А. И. Проектирование микропроцессорных ядер с использованием приложения StateFlow системы МА^АВ/этиНпк // Компоненты и технологии. 2010. № 1.
4. Тарасов И. Проектирование конфигурируемых процессоров на базе ПЛИС. Часть II // Компоненты и технологии. 2006. № 3.
