Стековые процессоры, или новое - это хорошо забытое новое Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Компоненты и технологии, № 2'2004

Окончание. Начало в № 9'2003,1'2004

Стековые процессоры,

или Новое - это хорошо забытое новое

Иосиф Каршенбойм

[email protected]

е-

ТР16 фирмы «Технофорт»

После исторических исследований, заморских диковин и патриархов Форт-индустрии настала пора показать то, что сделано у нас в России, в Петербурге, на Васильевском острове. Материалы, представленные в данном разделе, предоставлены фирмой «Технофорт», фрагменты программ предоставлены ведущим разработчиком процессора TF16 А. Капрановым, сотрудником фирмы «Технофорт».

Процессор TF16 фирмы «Технофорт» выполнен как стековый процессор и предназначен для встроенных применений. Вместе с периферией, размещаемой на кристалле FPGA, данный процессор представляет собой полную систему на кристалле, блок-схема которой приведена на рис. 15. Примерами применения Форт-систем с процессором TF16 могут служить интеллектуальные приборы «Скиф» (рис. 12). Данные приборы представляют собой малогабаритный

Рис. 12. Интеллектуальный прибор «Скиф»

переносной микрокомпьютер со встроенной операционной системой реального времени и с поддержкой файловой системы, совместимой с MS-DOS. Приборы имеют память до 2 Мбайт. Питание прибора осуществляется от аккумуляторов. «Скиф» используются для решения многочисленных задач автоматизации в условиях автономной работы как терминал сбора данных, универсальный регистратор и управляющая машина, заменяя там, где это возможно, дорогие и крупногабаритные контроллеры на базе промышленных РС.

Но наибольшего внимания заслуживает применение Форт-системы с процессором TF16 в качестве кассового регистратора, как наиболее массового изделия. Применение системы на кристалле становится экономически целесообразным, учитывая то, что фирма Altera разработала технологию HardCopy, когда любой проект из существующего проекта для FPGA может быть переведен в ASIC. Сегодняшний кассовый регистратор представляет собой многофункциональный сетевой терминал, способный выполнять как функции кассового регистратора, так и другие функции, например терминала обработки данных на складе, сетевого терминала справочной службы, устройства для маркировки товара и т. д.

Компоненты и технологии, № 2'2004

SchKonRS.dsk - SchKon

File £cü Options View Help

Rl HQlxIcJ I Die? їй НІ І І І Г..МН slAl аІїІФМЧІ

Stack: (0 0) 000000 okJDec)

/q 1 2 3

updating [p2J3214 [p2]3396

ok[Dec]

/q DEPTH

2 oktDec]

: ttt hello11 ;|

ok(Dec)

/s ttt

updating (p2)3396 [p2ß406

helo

R-Stack 801c 7d60 2 8c6 460 430 (top)

Stack: ( 3 2) 1 0 0 0 0 0 ok(Dec]

/s . " cpjerty"

.SAVID-»STACK /% KB.a HBTA

: HAKE-ON CREATE , D0HS> 0 ;

TARGET

S HAKE-ON FIVE /S FIVE .

S’ TKKST" S-C0H MAKE

: S-CON CREATE DUP C0 HERE SiHOVETO HERE 1- C0 ALLOT DOBS> COUNT include cEST.t /% KB.b /* 0PR0S

: TT BEGIN KEY DUP U. BL ■ UNTIL ;

/« TT

: ttt ." hello" ;

/% ttt

Рис. 14. Основное окно программы ТФ32

На рис. 13 приведена фотография платы кассового регистратора. Кассовый регистратор имеет встроенную операционную систему реального времени, имеет поддержку файловой операционной системы и поддержку сетевых протоколов TCP/IP. Кассовый регистратор имеет несколько разъемов для подключения сканеров штрих-кода и разъем для подключения к сети Ethernet 10/100. Информация выводится на цифробуквенный ЖКИ-дисплей.

Для разработки и отладки ПО, фирмой «Технофорт» разработана программа ТФ32, позволяющая производить отладку полностью собранного кассового регистратора. Регистратор по последовательному каналу связи подключается к хост-компьютеру.

Запускается программа ТФ32. Основное окно программы показано на рис. 14.

Монитор пользователя

Монитор пользователя — это программа, при помощи которой TF16 поддерживает режим обмена с хост-компьютером. Данная программа так же разработана в фирме «Технофорт». Монитор — это программа, зашиваемая в память программ, расположенную на кристалле. При включении питания процессор TF16 начинает выполнять программу монитора, предназначенную для загрузки, выполнения и записи на Flash-диск пользовательских программ. Если Flash-диск содержит программу, монитор загружает ее (первые 64 кбайт диска копируются в сегмент ОЗУ 28h и управление передается на точку входа). В противном случае, если Flash-диск отсутствует (или пустой), монитор переходит на программу обмена с компьютером.

Команды протокола (содержатся в целевом Форт-компиляторе):

• TEST_INIT — инициализация работы.

• TEST_LOAD — загрузка программы в сегмент памяти 28h.

Сисгема на кристалле с ядром процессора Tf 16

Граница кристалла

SPI 12С UAPT TIMER MAC

Граница кристалла

External Ram External Ram

Data Flash RTC

И 0 0 0

Рис. 15. Блок-схема системы на кристалле с ядром процессора ТР16.

Цветом «1» показаны ресурсы ядра процессора, цветом «2» — блоки памяти, расположенные на кристалле,

цветом «3» — периферийные устройства, расположенные на кристалле, цветом «4» — внешние периферийные устройства и блоки памяти, находящиеся вне кристалла.

Ресурсы процессора ТР16

Регистры процессора представлены в таблице 6.

Таблица 6. Регистры процессора

• TEST_RUN — выполнить программу с заданного адреса.

• TEST_SAVE — записать программу на Flash-диск.

• RSRUN (adr --) — загрузить программу в ОЗУ и выполнить. Adr — стартовый адрес программы.

• RSSAVE (adr --) — загрузить программу в Flash-диск и выполнить. Adr — стартовый адрес программы.

Итак, переходим непосредственно к процессору.

Название Описание При установке сигнала «Сброс» регистры принимают следующие значения

a1, a2 16-разрядные регистры общего назначения. Регистры а1-а2 могут использоваться в качестве базовых при обращении к памяти. Используются для вычислений.

t 16-разрядный аккумулятор. Для языка Форт — верхний элемент стека параметров

n 16-разрядный регистр — расширение аккумулятора. Для языка Форт — второй элемент стека параметров.

с 16-разрядный регистр общего назначения (счетчик цикла)

rsp 16-разрядный указатель стека возвратов

psp 16-разрядный указатель стека параметров

cs, ss, ds, es 6-разрядные сегментные регистры. Позволяют работать с большим объемом памяти. кодовый сегмент стековый сегмент сегмент данных сегмент данных 0

cntr 16-разрядный управляющий регистр 0

intr 7-разрядный регистр сегмента прерываний 0

Pc 16-разрядный счетчик команд 0

l 16-разрядная защелка команд

Карта памяти процессора представлена в таблице 7. Полный 20-разрядный адрес A[19..0] формируется следующим образом: A[19..16] — значение cs, ss, ds, es A[15..0] — значение pc, ^ psp, ^, a1-a2, t Таблица 7. Карта памяти процессора

Полный адрес Назначение памяти Расположение

000000-0007FF 2 кбайт — ПЗУ (монитор) Внутрикристальное ПЗУ

000800-000BFF 1 кбайт — ОЗУ (стеки) Внутрикристальное ОЗУ

280000-2FFFFF 256 кбайтх!6 — ОЗУ (может быть расширена до 512 кбайт х16) Внешнее ОЗУ

Flash-диск адресуется через порт как диск 4 Мбайт — Р!азЬ-диск (может быть добавлен) Внешнее ПЗУ

Расположение стеков в адресном пространстве определяется указателями PSP, RSP и сегментным регистром SS. Указатель содержит адрес верхнего элемента стека. Направление стека определяется младшим битом регистра-указателя (0 — стек растет вверх,

1 — стек растет вниз).

Ядро процессора TF16 содержит 8-канальный контроллер прерываний. Типовое использование для применения в составе кассового регистратора следующее — задействованы три прерывания — от UART1, UART2 и от таймера. Их вектора прерываний соответственно — 100h, 140h, 180h. Механизм обработки прерывания (на примере таймера) приведен ниже.

IF cntr15 THEN (общая маска прерываний)

IF ov & ie THEN (разрешено прерывание от таймера

и бит переполнения установлен)

cntr15 = 0 (запрет прерывания)

ЧО .1 CD (сохраняем текущий cs и устанавливаем

в cs значение intr)

intr0 = carry (сохраняем значение carry)

call 0180h (вызов обработчика прерываний)

ENDIF

ENDIF

е

Компоненты и технологии, № 2'2004

Возврат из прерывания происходит по команде ireturn:

intr[6..1] <--> cs[5..0] (восстанавливаем значения intr и cs) •

carry = intr0 (восстанавливаем значение carry)

cntr15 = 1 (разрешаем прерывания) •

return (возвращаемся в программу) • •

Сравнение ресурсов, занимаемых ядрами встраиваемых процессоров на кристалле, приведено в таблице 8.

Таблица 8. Сравнение ресурсов, занимаемых ядрами встроенных процессоров на кристалле

Название ядра Число ячеек Блоки встроенной памяти Тактовая частота МГц Микро- схема

Nios 3.0 — 16 бит 1500 Более 125 Stratix

Nios 2.0 — 16 бит 1100 7 33 EP20K200E

TF16 - 16 бит 900 6 33 EP1K30

Из сравнения данных, приведенных в таблице 8, видно, что ядро процессора TF16 занимает значительно меньше ресурсов, чем сопоставимые 16-разрядные ядра.

К микропроцессору могут быть подключены следующие расположенные на кристалле периферийные устройства:

• Ethemet MAC;

UART — 2;

16-разрядный таймер;

SPI для связи с Flash-диском;

Порт для подключения ЖКИ;

2 универсальных 16-разрядных порта;

9-разрядный универсальный порт;

порт управления звукоизлучателем;

• порт управление часами.

Канал связи с периферией представляет собой шину адреса, две шины данных (одна для выходящих из процессора данных, другая — для данных, поступающих из периферии в процессор) и сигналов управления. Таким образом, к данному ядру может быть подключена любая периферия из готовых блоков, находящихся в распоряжении пользователя. В зависимости от конкретных требований проекта периферийные блоки могут быть выполнены полностью аппаратно или они могут быть частично программными. Так, например, блок для связи с UART может быть сделан частично программно, то есть процессор формирует диаграмму передачи побитно и передает (принимает) данные через параллельный порт.

Система команд процессора TF16

Система команд включает 4 класса:

• команды вызова подпрограмм и команды возврата — CALL/RETURN;

• команды переходов (8 команд);

• команды записи-чтения памяти (непосредственно, через индексные регистры, с инкрементом или декрементом адреса);

• математические команды — эти команды могут сопровождаться активизацией одного из двух стеков (команды языка Форт);

• команды обращения к портам.

Внутренняя система сегментации позволяет адресовать 4 Мбайт внешней памяти.

Наличие резервных кодов позволяет существенно расширить систему команд и увеличить вычислительную производительность процессора (однотактное умножение, команды поддержки арифметики с плавающей точкой и т. д.). Внутреннее регистровое пространство может быть увеличено до 256 регистров. Изменение разрядности сегментных регистров (до 16 разрядов) дает возможность получать необходимое адресное пространство (до 4 Гбайт).

Таблица 9. Базовые команды

Таблица 9. Базовые команды (окончание)

Мнемоника Параметры Ключи carry Описание

2nop nop nop

add a1-2,n c push pop ret reg! + Сложение t c регистром

add Literal + Сложение t c литералом

addc a1-2,n c push pop ret reg! + Сложение с переносом t и регистра

addc Literal + Сложение с переносом t и литерала

and a1-2,n c push pop ret reg! Логическая «И» t и регистра

and 1 Literal Логическая «И» t и литерала

bc label{-128 127} Переход по смещению, если carry=1

bcp label{-128 127} Переход по смещению, если carry=1. Pop PS

bgez label{-128 127} Переход по смещению, если t>=0

bgezp label{-128 127} Переход по смещению, если t>=0. Pop PS

blz label{-128 127} Переход по смещению, если t<0

blzp label{-128 127} Переход по смещению, если t<0. Pop PS

bnc label{-128 127} Переход по смещению, если carry=0

bncp label{-128 127} Переход по смещению, если carry=0. Pop PS

bnz label{-128 127} Переход по смещению, если t<>0

bnzp label{-128 127} Переход по смещению, если t<>0. Pop PS

br label{-128 127} Безусловный переход по смещению

bz label{-128 127} Переход по смещению, если t=0

bzp label{-128 127} Переход по смещению, если t=0. Pop PS

call Addr16 Вызов подпрограммы по 16-разрядному адресу

cycl label{-128:127} Переход по смещению, если c<>0, c=c-1

dsla push pop ret + Двойной арифметический сдвиг влево пары t и n

dslc push pop ret + Двойной циклический сдвиг влево пары t и n

dsll push pop ret + Двойной логический сдвиг влево пары t и n

dsra push pop ret + Двойной арифметический сдвиг вправо пары t и n

dsrc push pop ret + Двойной циклический сдвиг вправо пары t и n

dsrl push pop ret + Двойной логический сдвиг вправо пары t и n

dstep a1-2,c push pop ret reg! + Шаг беззнакового деления (t,n) и регистра

dstep Literal + Шаг беззнакового деления (t,n) и литерала

ireturn Возврат из прерывания

jump Addr16 Переход по абсолютному 16-разрядному адресу

load a1-2,n,c,cs,$$, d$,e$,p$p,r$p,cntr,intr push pop ret popnt Загрузка регистра значением t

load Memory -t -n Загрузка в память значения t или n

mova a1-2,n,c,c$,$$, d$,e$,p$p,r$p,cntr,intr push pop ret reg! Загрузка в t значения регистра

mova Literal Загрузка в t значения литерала

mova Memory -t -n Загрузка в t или n значения из памяти

mstep a1-2,c push pop ret reg! + Шаг умножения n и регистра

mstep Literal + Шаг умножения n и литерала

nop push pop ret popnt

or a1-2,n, c push pop ret reg! Логическая «ИЛИ» t и регистра

or Literal Логическая «ИЛИ» t и литерала

pp°p Pop стека параметров [ps]->n->t

ppush Push стека параметров t->n->[ps]

rdec Декремент указателя стека возвратов

Мнемоника Параметры Ключи carry Описание

return Возврат из подпрограммы

rinc Инкремент указателя стека возвратов

rload Загрузка t по адресу указателя стека возвратов

rmova Загрузка в t из адреса указателя стека возвратов

rpop rmova + pop стека возвратов

rpush rload + push стека возвратов

sbb a1-2,n,c push pop ret reg! + Вычитание t из регистра

sbbb Literal + Вычитание t из литерала с займом

sla push pop ret + Арифметический сдвиг влево t

slc push pop ret + Циклический сдвиг влево t

sll push pop ret + Логический сдвиг влево t

sra push pop ret + Арифметический сдвиг влево t

src push pop ret + Циклический сдвиг влево t

srl push pop ret + Логический сдвиг влево t

sub a1-2,n,c push pop ret reg! + Вычитание регистра из t

subb Literal + Вычитание литерала из t с займом

swab push pop ret Перестановка байтов t

xchg a1-2,n,c,c$,$$, d$,e$,p$p,r$p,cntr,intr push pop ret Обмен содержимым t и регистра

xor a1-2,n,c push pop ret reg! Логическая «Исключающее ИЛИ» t и регистра

xor Literal Логическая «Исключающее ИЛИ» t и литерала

Є~

Таблица 10. Команды для работы с памятью

Мнемоника Параметр! Параметр2 Ключи Описание

load (a1), (a2) [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в память по адресу ([х$],ах) \ или п

load -(a1),-(a2) [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в память по адресу ([х$],ах-2) \ или п ах=ах-2

load (a1)-,(a2)- [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в память по адресу ([х$],ах) \ или п ах=ах-2

load +(a1),+(a2) [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в память по адресу ([х$],ах+2) \ или п ах=ах+2

load (a1)+,(a2)+ [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в память по адресу ([х$],ах) \ или п ах=ах+2

load mem [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в память по адресу ([х$]Д) \ или п

mova (a1), (a2) [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в \ или п из памяти по адресу ([х$],ах)

mova -(a1),-(a2) [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в \ или п из памяти по адресу ([х$],ах-2) ах=ах-2

mova (a1)-,(a2)- [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в \ или п из памяти по адресу ([х$],ах) ах=ах-2

mova +(a1),+(a2) [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в \ или п из памяти по адресу ([х$],ах+2) ах=ах+2

mova (a1)+,(a2)+ [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в \ или п из памяти по адресу ([х$],ах) ах=ах+2

mova mem [cs], [ss], [ds], [es] -t -n Загрузка в \ или п из памяти по адресу ([х$]Д)

Таблица 11. Ключи-модификаторы

Ключ Описание

ret Команда сопровождается возвратом из подпрограммы

reg! Команда с операндом-регистром сопровождается записью в этот регистр значения аккумулятора

push Команда сопровождается push стека параметров (n->[psp])

pop Команда сопровождается pop стека параметров ( [psp]->n)

popnt Команда сопровождается pop стека параметров ( [psp]->n->t)

-t Загрузка в память значения t

-n Загрузка в память значения n

Компоненты и технологии, № 2'2004

Команды процессора ТБ16 (табл. 9-11), как и у всех стековых процессоров, очень плотно упакованы и за одну команду позволяют выполнить несколько непротиворечивых действий одновременно. Далее на примерах показано, как и какие действия выполняют команды микропроцессора ТБ16.

В скобках приведено количество тактов, требуемых для выполнения данной команды. Команды вызова: Сall (3)

15 14 13 12 11 10 98 7 65 4 3 2 1 0

16-bit address 0

Память: запись-чтение (2)

15 14 13 12 11 10 98 7 65 4 3 2 1 0

x x RSP mode a-reg P Sreg D r/w| 0 1 1 1 1

Mem Reg A1 N Cs r/w=1 write

@! Reg+ A2 Y Ss N

@!+- Reg- A3 Ds

+/- Mem A4 Es

Здесь:

D — источник или приемник данных (регистр T или N).

Sreg — выбор сегментного регистра.

P — выбор (a1)+ или +(a1).

Mode: Reg: (a1):

• Reg+: +(a1), (a1)+;

• Reg-: -(a1), (a1)-;

• Mem: RSP active.

RSP: если Mode=11 (Mem):

• Mem: mem;

• @!: чтение (запись) из стека возвратов;

• @!+-: push (pop) стека возвратов;

• +/-: inc (dec) указателя стека возвратов. RSP: если Mode<>11, 4 старших разряда задают смещение от базового регистра.

Примеры:

0 о о о 1100 0000 0011 0C03 mova mem [cs] -t

10 01 0 1100 0011 0011 2C13 rpop [ss] -n

0010 0001 0100 1011 214B load 2 (a2) [ds] -t

0000 0111 1111 1011 07EB load +(a4) [ss] -n

022D 1000 add 1000h t-reg+1000 -> t-reg

Команда перехода по адресу (2)

15 14 13 12 11 10 9 8 I 7 6 5 4 3 2 1 0 15 .... 0

|0 0 0 0 I 0 0 0 о| 0 0 0 0|1 1 0 1 I I Addr16

Примеры:

000D 1000 jump 1000h 1000 -> PC

Переходы (1/2/3)

15 14 13 12 11 10 9 8 I 7 6 5 4 3 2 1 0

[

Displacement

Биты 7, 6, 5 и 4 могут принимать значения, указанные в таблице 12.

Примеры:

Таблица 12

0000 uncond 0 0100 T>=0 4 1000 8 0 о T>=0 C

0001 cycle I<>0 1 0101 T<0 5 1001 9 a101 T<0 D

0010 not carry 2 0110 T=0 6 a010 not carry A a110 T=0 E

0011 carry 3 0111 T<>0 7 a011 carry B a111 T<>0 F

Displacement — число со знаком {-128:127} A — активизация стека параметров (pop] Таблица 13

11 10 9 8

15 14

13 12

7 6 5 4

stack

Кодировка системы команд

I Mode I

Register

I

alu 2op/1op

I 0 0 0 ~n

Stack: mode: Registers: ALU 2-op ALU 1-op (Shifter)

no active reg! T->reg 0000 cs 0100 a1 1000 psp 1100 n 0000 Dstep 0 1000 REG 0000 2/L 1000 2*AL

RET R! N->T->r 0001 ss 0101 a2 1001 rsp 1101 c 0001 Mstep 1 1001 AND 0001 2/A 1001 2*C

pop->N reg@ 0010 ds 0110 a3 1010 intr 1110 0010 + 2 1010 OR 0010 2/C 1010 --

T->N->push alu1op 0011 es 0111 a4 1011 cntr 1111 0011 +c 3 1011 XOR 0011 -- 1011 --

0100 s- 4 1100 SWAB 0100 D2/L 1100 D2*AL

0101 s-c 5 1101 -- 0101 D2/A 1101 D2*C

0110 - 6 1110 -- 0110 D2/C 1110 -- ,

0111 -c 7 1111 NOP 0111 -- 1111 NOP

ALU: +c, s-c, -c — команды с переносом; s— обратное вычитание (reg — t); - — прямое вычитание (t — reg); Сдвиги: L — логический, A — арифметический, C — циклический (без переноса).

8-разрядный литерал (1)

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Byte literal 1 Alu 2op | 1 0 0 1

Byte literal — беззнаковое число

Примеры:

0129 add 1 (inc)

0169 sub 1 (dec)

Математика, сдвиги, стек параметров, return (1/2/3) (табл. 13)

Примеры:

0000 0100 1100 0001 04C1 load a1

0100 0100 1100 0001 44C1 load a1 ret

1000 0100 1100 0001 84C1 load a1 pop

1100 0100 1100 0001 C4C1 load a1 push

0011 XXXX 0000 0001 3X01 srl

0010 1101 0000 0001 2D01 dstep c

Команды обращения к портам (1)

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

[

ADDRESS

I r/w 1 1 Л

Работа с 16-разрядным литералом (2/3)

15 14 13 12 11 10 9 8 I 7 6 5 4 3 2 1 0 15 .... 0

| 0 0 0 01 Mode| Sreg | Alu 2op | 1 1 0 1 | | Const16 |

0 0 10 команда АЛУ с длинным литералом 0 0 11 команда АЛУ с длинным литералом + push SP

0 1 sreg команда АЛУ с содержимым по непоср. адресу

1 0 sreg запись в память по непоср. адресу

Примеры:

Чтение-запись осуществляется через аккумулятор t. ADDRESS — номер порта (0-255).

Примеры программирования на TF16

В качестве примеров программирования сначала приведем два примера: первый на Форт-ассемблере, второй на Форте. Драйвер последовательного порта RS232 написан на Форт-ассемблере (табл. 14).

Таблица 14. Драйвер последовательного порта RS232

b b b b I 0 1 0 H

Название фрагмента программы Коды программы

чтение бита готовности приемника CODE ?RS ( --> 0/1 ) ppush -- push стека параметров rscnt1@ 2 -- чтение бита готовности returnEND-CODE

чтение байта из последовательного порта 1 CODE RS@ ( --> byte ) ppush rsport@ -- читаем байт rsclrl! 2 -- сбрасываем бит готовности return END-CODE

запись байта в последовательный порт 1 CODE RS! ( byte -- > ) 1$: ppush rscnt1@ 1 -- читаем бит готовности bzp 1$ rscnt1! 1 -- сбрасываем бит готовности 2nop rsport1! -- записываем байт ppop -- pop стека параметров return END-CODE

Драйверы БЫИ-диска написаны на Форте. Они приводятся как пример выполнения Форт-программы (табл. 15).

Таблица 15. Драйверы Р!а$Ь-диска

-- Работа с БР1 ТР16

-- Частота = 1/2 частоты процессора (12,5 МГц) -- Передача 1 байта занимает 16 тактов

MACRO SPICSL MACRO SPICSH MACRO SPI!

MACRO SPI@

MACRO DUPSPI! MACRO DROPSPI@ spi@ MACRO NOP nop MACRO 2NOP 2nop

END-MACRO -- установить CS=0 END-MACRO -- установить CS=1

- Запись в SPI

- Чтение из SPI

spics0l spics0h spi! ppop END-MACRO ppush spi@ END-MACRO spi! END-MACRO

END-MACRO END-MACRO END-MACRO

- задержка на 8 тактов

- задержка на 16 тактов

- setup time = 250ns = 8clock

8NOP2NOP ;

16NOP 8NOP 2NOP ; SPICS0 SPICSL 8NOP ; SPICS1 8NOP SPICSH ;

-- Ожидание готовности от SPI

: SREADY? ( --> 0/-1,-1-OK )

0 BEGIN

SPICS0 57 DUPSPI! 16NOP DROP 0 DUPSPI!

16NOP SPICS1 DROPSPI@ 80 AND IF DROP -1 EXIT THEN 1- DUP 0= UNTIL ;

-- Запись кода

: CodeToSPI ( номер страницы, код --> )

SPICS0 SPI! 2* 2* DUP ><

16NOP SPI! 16NOP

SPI! 16NOP 0 SPI! 16NOP ; -- cod,ah,al,0

-- Записать страницу 528 байт из буфера в память

: WritePage ( адрес буфера, номер страницы -- 0/-1, 0 - OK ) SREADY? IFNOT 2DROP -1 EXIT THEN 82 CodeToSPI

-- запись страницы из буфера во флэш 108 FOR

DUP @ >< DUPSPI! 16NOP >< SPI! 2+ 8NOP NOP

ENDFOR DROP 0 SPICS1 ;

-- Читать страницу 528 байт в буфер

: ReadPage (адрес буфера, номер страницы -- 0/-1, 0 - OK ) SREADY? IFNOT 2DROP -1 EXIT THEN 52 CodeToSPI 0 DUPSPI! 16NOP DUPSPI! 16NOP DUPSPI! 16NOP SPI! 16NOP -- 0,0,0,0

-- Чтение в буфер 0 DUPSPI! 16NOP 108 FOR

DROPSPI@ DUPSPI! >< 8NOP 2NOP 2NOP 2NOP SPI@ DUPSPI! OR SWAP 2DUP! 2+ SWAP 8NOP NOP ENDFOR

2DROP 0 SPICS1 ;

3 2 1 0

HEX

e

Компоненты и технологии, № 2'2004

Пример загрузки и отладки (в данном случае — запуск на исполнение) программы при помощи монитора. Программа написана в среде целевого компилятора ИнфоФорт (табл. 16).

Таблица 16. Пример работы с ТР16 при помощи монитора

{S

DECIMAL

0000h 1000h TARGROM ROM -- 0000h — начальный адрес целевой памяти -- 1000h — размер целевой памяти

{T

ROM

«Hello, WORLD!» STRING HW

: MAIN PAGE 0 0 AT-XY HW COUNT TYPE BEGIN AGAIN

KS!

' MAIN RSRUN

-- очистка экрана

-- установили координаты курсора -- вывели строку -- бесконечный цикл

-- добавили контрольную сумму -- загрузили программу и выполнили

Сравнение производительности процессоров TF16 и i486

В таблице 17 проводится сравнение процессора TF16, реализованного на FPGA фирмы Altera, с процессором i486 фирмы Intel. Таблица 17. Сравнение характеристик процессоров TF16 и i486

Характеристика TF16 i486

Сложность Около 1000 логических элементов Altera Асех EP1K30 1 200 000 транзисторов

Разрядность данных 16 32

Длина команды • 2 байта (вызов, условный переход, арифметика) • 4 байта (длинный переход >64 кбайт) от 1 до 17 байт

Время реакции на прерывание От 4 до 6 тактов в зависимости от текущей команды (однотактовая, двухтактовая) от 45 до 181 такта в зависимости от режима процессора, состояния кэша и типа обработчика прерывания

Результаты испытаний производительности процессоров

Для сравнения использовались программы, написанные для i486 на языке Турбо Паскаль 5.5 или на языке С для компилятора DJGPP версии 2. Программа для TF16 написана на языке Форт и выполнялась на плате с процессором TF16. Программы для i486 и TF2016 прогонялись на одних и тех же данных и выдавали один и тот же результат вычислений. Время выполнения тестов для испытываемых процессоров приведено в таблице 18.

По результатам сравнения можно сделать следующий вывод: процессор TF16 разработан специально для применения в системах реального времени, с возможностью быстрого переключения контекстов в многозадачном режиме. Стековая архитектура в сочетании с продуманной системой команд обеспечивает реальное высокое быстродействие без использования конвейеров команд и кэшей.

Для удобства пользователей фирма выпустила модуль TF16, внешний вид которого приведен на рис. 16. Модуль представляет собой сборку из микросхем, перечисленных в таблице 19 и устанавливается на основную плату как мезонинный. Такая конструкция позволяет выполнить основную плату меньшего класса точности и снимает все проблемы по отладке и ремонту процессорного узла. Модуль содержит память и вспомогательный микроконтроллер, предназначенный для хранения кодов защиты как для самого модуля TF16, так и для задач пользователя, запускаемых на исполнение в данном модуле. По требованию заказчика модуль TF16 может быть выполнен с контроллером Ethernet 10/100 «на борту» и с программной поддержкой TCP/IP.

Модуль представляет собой микрокомпьютер, который может применяться для различных встроенных систем и способен заме-

Таблица 19. Перечень микросхем модуля процессора TF16

Тип Название Корпус

Flash K9F2808U0B-YCB0 TSOP1-48

FPGA EP1K30TC144 QFP144

EPROM AT17LV010-JI DIP8

RAM K6R4016V1B TSOP2-44

DataFlash AT45DB321B 32T-TSOP

Controller ATTINY15L-1SI SO8_ATTINY

нить любые 16-разрядные встроенные микропроцессоры, например, такие, как 386ЕХ.

Заключение

Заканчивая этот обзор, хочу напомнить читателям, почему эта статья называется «Стековые процессоры, или Новое — это хорошо забытое новое». Технология стековых процессоров появилась в нашей стране во время перестройки. В то время это была достаточно новая микропроцессорная архитектура. Но первые отечественные стековые микропроцессоры «вымерли», едва успев родиться, после чего эта технология для многих применений была закрыта. Сказывалось не только отсутствие элементной базы, но в основном отсутствие специалистов. Для молодых инженеров оказалось гораздо проще получить информацию о массовых микроконтроллерах, программируемых на С/С++. С появлением технологии БРОА появилась возможность выполнять системы на кристалле и применять там те процессоры, которые наиболее полно удовлетворяют целям и задачам разрабатываемого проекта. Автор надеется, что данная статья окажется полезной при выборе направления в разработке систем на кристаллах и встроенных систем.

Таблица 18. Результаты испытаний процессоров на различных тестах

Программа TF2016 80486DX2-50 80486DX2-50,

(25 МГц) (25 МГц) turbo (50 МГц)

CRC-32, байтовый алгоритм: 4096 раз посчитать crc от 2048 байт, Forth/Pascal 37,9 с 58,5 с 33,1 с

CRC-32, побитовый алгоритм: 256 раз посчитать crc от 2048 байт, Forth/Pascal 18,7 с 25,9 с 11,2 с

Функция Аккерманна (3,9), Forth/C 8,3 с 32,2 с 11,4 с

Функция Аккерманна (3,9), Ассемблер 5,6 с 10,9 с 4,2 с

Быстрая сортировка, 4096 целых чисел, 256 раз, Forth/C 22,0 с 34,6 с 13,6 с

Перемножение матриц 100x100 16 раз, Forth/C 47,4 с 61,4 с 29,8 с

34-е число Фибоначчи, Forth/оптимизированный C 19,9 с 27,3 с 10,1 с

34-е число Фибоначчи, Ассемблер 9,2 с 15,6 с 5,9 с

Примечания:

1. Все цифры — точные (если явно не отмечено что-то другое, разброс наблюдался не ранее, чем во втором знаке после запятой).

2. Если сравнивать Форт и Паскаль, программы написаны на языках высокого уровня, и оба компилятора порождают код, уступающий

по качеству ассемблерному коду, написанному человеком.

3. 1486 находился в выгодных условиях, так как и программа, и данные находились в кэше.

4. Функция Аккерманна и числа Фибоначчи показывают преимущества вызова в ТР16 в сравнении с 1486.