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authorNao Pross <naopross@thearcway.org>2017-11-05 18:43:56 +0100
committerNao Pross <naopross@thearcway.org>2017-11-05 18:43:56 +0100
commitec290341c3dbcf8551c83a8405aa3e3bea8d48cb (patch)
treefc4ea32b7b07ce0992756356e15d76d5da5dea09 /doc/report
parentUpdate gitignore and add sdcc manual (diff)
downloadz80uPC-ec290341c3dbcf8551c83a8405aa3e3bea8d48cb.tar.gz
z80uPC-ec290341c3dbcf8551c83a8405aa3e3bea8d48cb.zip
Continues both hw and sw doc
Diffstat (limited to 'doc/report')
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-rw-r--r--doc/report/build/z80uPC_nostyle.pdfbin141261 -> 69118 bytes
-rw-r--r--doc/report/makefile4
-rw-r--r--doc/report/res/addrspace.pdfbin7210 -> 7744 bytes
-rw-r--r--doc/report/res/block_diagram.pdfbin23235 -> 19532 bytes
-rw-r--r--doc/report/res/iospace.pdfbin6120 -> 6435 bytes
-rw-r--r--doc/report/res/kernel_mem_base.pdfbin17257 -> 17254 bytes
-rw-r--r--doc/report/res/mem_kern_alloc.pdfbin8132 -> 8128 bytes
-rw-r--r--doc/report/z80uPC_nostyle.tex262
9 files changed, 220 insertions, 46 deletions
diff --git a/doc/report/build/notes.pdf b/doc/report/build/notes.pdf
index 56e2cd1..ad70a98 100644
--- a/doc/report/build/notes.pdf
+++ b/doc/report/build/notes.pdf
Binary files differ
diff --git a/doc/report/build/z80uPC_nostyle.pdf b/doc/report/build/z80uPC_nostyle.pdf
index 87cdd60..2ba99e8 100644
--- a/doc/report/build/z80uPC_nostyle.pdf
+++ b/doc/report/build/z80uPC_nostyle.pdf
Binary files differ
diff --git a/doc/report/makefile b/doc/report/makefile
index d88b1bb..17bd2f0 100644
--- a/doc/report/makefile
+++ b/doc/report/makefile
@@ -2,14 +2,14 @@
BUILD_DIR := build
RES_DIR := res
-SOURCES := z80uPC.tex z80uPC_nostyle.tex notes.tex
+SOURCES := z80uPC_nostyle.tex notes.tex
DOCUMENTS := $(patsubst %.tex,$(BUILD_DIR)/%.pdf,$(SOURCES))
RES_SRC := $(wildcard $(RES_DIR)/*.svg)
RES := $(patsubst %.svg,%.pdf,$(RES_SRC))
# compiler settings
-TEX := texfot lualatex
+TEX := texfot xelatex
# recipes
.PHONY: all dir clean
diff --git a/doc/report/res/addrspace.pdf b/doc/report/res/addrspace.pdf
index abf9fed..26c28d8 100644
--- a/doc/report/res/addrspace.pdf
+++ b/doc/report/res/addrspace.pdf
Binary files differ
diff --git a/doc/report/res/block_diagram.pdf b/doc/report/res/block_diagram.pdf
index 57b42d6..01cc15e 100644
--- a/doc/report/res/block_diagram.pdf
+++ b/doc/report/res/block_diagram.pdf
Binary files differ
diff --git a/doc/report/res/iospace.pdf b/doc/report/res/iospace.pdf
index ba36d9d..547febb 100644
--- a/doc/report/res/iospace.pdf
+++ b/doc/report/res/iospace.pdf
Binary files differ
diff --git a/doc/report/res/kernel_mem_base.pdf b/doc/report/res/kernel_mem_base.pdf
index 7d2a257..169faae 100644
--- a/doc/report/res/kernel_mem_base.pdf
+++ b/doc/report/res/kernel_mem_base.pdf
Binary files differ
diff --git a/doc/report/res/mem_kern_alloc.pdf b/doc/report/res/mem_kern_alloc.pdf
index fd02dfd..61bad0c 100644
--- a/doc/report/res/mem_kern_alloc.pdf
+++ b/doc/report/res/mem_kern_alloc.pdf
Binary files differ
diff --git a/doc/report/z80uPC_nostyle.tex b/doc/report/z80uPC_nostyle.tex
index a3421ef..fe9fa23 100644
--- a/doc/report/z80uPC_nostyle.tex
+++ b/doc/report/z80uPC_nostyle.tex
@@ -1,16 +1,48 @@
\documentclass[a4paper, 11pt]{article}
+% figures
\usepackage{array}
\usepackage{float}
\usepackage{wrapfig}
-\usepackage{textgreek}
+
+% tables
+\usepackage{booktabs}
+\usepackage{tabu}
+
+% margins
\usepackage{graphicx}
% source code
+\usepackage{xcolor}
\usepackage{listings}
+\lstdefinestyle{customc}{
+ belowcaptionskip=1\baselineskip,
+ breaklines=true,
+ frame=L,
+ xleftmargin=\parindent,
+ language=C,
+ showstringspaces=false,
+ basicstyle=\footnotesize\ttfamily,
+ keywordstyle=\bfseries\color{green!40!black},
+ commentstyle=\color{purple!40!black},
+ identifierstyle=\color{blue},
+ stringstyle=\color{orange},
+}
+
+\lstdefinestyle{customasm}{
+ belowcaptionskip=1\baselineskip,
+ frame=L,
+ numbers=left,
+ numberstyle=\ttfamily,
+ xleftmargin=\parindent,
+ language=[x86masm]Assembler,
+ basicstyle=\footnotesize\ttfamily,
+ commentstyle=\color{gray},
+}
-% set correct hypenation
+% language (set correct hypenation)
\usepackage[italian]{babel}
+\usepackage{textgreek}
% to fix macros
\usepackage{xspace}
@@ -19,7 +51,7 @@
\newcommand{\prj}{Z80\textmu PC\xspace}
% invert signal (not, active low)
-\newcommand{\inv}[1]{$\overline{\mbox{#1}}$}
+\newcommand{\inv}[1]{\(\overline{\mbox{#1}}\)}
% metadata
\title{\prj Single Board \\ Computer Development }
@@ -31,34 +63,33 @@
\maketitle
\begin{abstract}
- Lo Zilog Z80 \`e un processore a 8 bit che fu introdotto nel 1976 che ebbe
+ Lo Zilog Z80 \`e un processore a 8 bit che fu introdotto nel 1976 ed ebbe
un grandissimo successo nel mondo dell'elettronica e dell'informatica
- nella fine del 20esimo secolo. In memoria di questo pioniere
- dell'industria dei sistemi informatici questo progetto documenta la
- realizzazione di un microcomputer a scopo generico a base di esso.
- L'obiettivo primario dunque \`e di realizzare una scheda simile ad una
- motherboard dei computers venduti all'epoca completa di RAM, ROMs,
- interfacce seriali e altri circuiti di supporto. Successivamente per
- l'aspetto software il progetto deve implementare i drivers per ogni
- circuito presente sulla scheda in modo da semplificare la programmazione.
- L'obiettivo opzionale del progetto, una volta terminata la costruzione
- hardware, \`e di realizzare una kernel monolitica che offre funzioni
- minimali simili ad un sistema UNIX, quali processi, filesystem, memory
- management e drivers.
+ dagli anni 70 a 90. In memoria di questo pioniere dell'industria dei
+ sistemi informatici questo progetto documenta la realizzazione di un
+ microcomputer a scopo generico a base di esso. L'obiettivo primario
+ dunque \`e di realizzare una scheda simile ad una motherboard dei
+ computers venduti all'epoca completa di RAM, ROMs, interfacce seriali e
+ altri circuiti di supporto. Successivamente per l'aspetto software il
+ progetto deve implementare i drivers per ogni circuito presente sulla
+ scheda in modo da semplificare la programmazione. L'obiettivo opzionale
+ del progetto, una volta terminata la costruzione hardware, \`e di
+ realizzare una kernel monolitica che offre funzioni minimali simili ad un
+ sistema UNIX, quali processi, filesystem, memory management e drivers.
\end{abstract}
+\break
\section{Hardware}
\subsection{Specifiche tecniche dello Z80}
-
Lo Z80 \`e un processore molto minimalistico se paragonato a ci\`o che si
trova oggi sul mercato dei microcontrollori. Per il progetto \prj la CPU in
-uso \`e il modello originale \texttt{Zilog Z8400} che non dispone di moduli
-aggiuntivi integrati come i modelli SoC odierni. La scelta di una CPU tanto
-semplice \`e la conseguenza del design didattico del progetto, inoltre senza
-alcun dispositivo interno lo \texttt{Z8400} si presenta con un address space
-completamente vuoto, ad eccezzione del punto d'inizio e i vettori di reset.
+uso \`e il modello originale Zilog Z8400 che non dispone di moduli aggiuntivi
+integrati come i modelli SoC odierni. La scelta di una CPU tanto semplice \`e
+la conseguenza del design didattico del progetto, inoltre senza alcun
+dispositivo interno lo Z8400 si presenta con un address space completamente
+vuoto, ad eccezzione del punto d'inizio e i vettori di reset.
Lo Z80 utilizza I/O paralleli sia per la lina a 16 degli indizzi che per la
linea dati a 8 bit e dispone di 6 registri 8 bit ad utilizzo generico
@@ -73,28 +104,27 @@ retrocompatiblit\`a.
\caption{Riassunto delle specifiche}
\begin{tabular}{ l l }
- \\ \hline
+ \toprule
Dimensione Indirizzi & 16 bit \\
Dimensione Dati (word) & 8 bit \\
Spazio Indirizzabile & 64 KB \\
Registri Generici 8 bit & 6 ({\tt A..F}) \\
Registri 16 bit & 2 ({\tt SP, PC}) \\
Clock speed & 8 MHz, 6MHz, 4MHz, 2.5MHz \\
- \hline
+ \bottomrule
\end{tabular}
\end{table}
\subsection{Componenti e modello di design}
-
-Il minimo necessario per far funzionare uno Z80 sono una {\tt RAM} ed una {\tt
-ROM}, ma avendo a disposizione altri dispositivi I/O lo \prj dispone anche di
-una porta seriale, di una porta parallela e di un counter timer; Hardware che
-si presenta normalmente all'interno di microcontrollori odierni.
+Il minimo necessario per far funzionare uno Z80 sono una {\tt RAM} ed una
+{\tt ROM}, ma avendo a disposizione altri dispositivi I/O lo \prj dispone
+anche di una porta seriale, di una porta parallela e di un counter timer;
+Hardware che si presenta normalmente all'interno di microcontrollori odierni.
\begin{table}[hb]\centering
\caption{Lista dei componenti}
-\begin{tabular}{ >{\tt}l >{\tt\bfseries}l >{\footnotesize}p{.7\linewidth} }
- \\ \hline
+\begin{tabular}{ >{\tt}p{.1\textwidth} >{\tt\bfseries}p{.2\textwidth} >{\footnotesize}p{.6\textwidth} }
+ \toprule
ROM & M28C64 & EEPROM da 8KB x 8 bit (64K) per il BIOS / Bootloader /
OS installata doppia per avere 16KB \\
RAM & HM62256B & SRAM da 32KB x 8bit (256K) \\
@@ -103,11 +133,11 @@ si presenta normalmente all'interno di microcontrollori odierni.
PIO & Z8420 & Parallel input/output controller di Zilog per avere un
intefaccia digitale con due porte da 8 bit \\
MMU & M4-32/32-15JC & CPLD programmabile che implementa una memory
- management unit semplificata in grado di gestire i 5
- bit pi\`u significativi della linea di indirizzi \\
+ management unit semplificata in grado di gestire i
+ 5 bit pi\`u significativi della linea di indirizzi \\
USART & TL16C550C & Interfaccia USART per poter comunicare utilizzando il
protocollo RS232 \\
- \hline
+ \bottomrule
\end{tabular}
\end{table}
@@ -117,7 +147,7 @@ possiblit\`a di cambiare la velocit\`a di clock tra 4MHz, 200Hz o manuale
(mediante un bottone sulla scheda) e una serie di display a 7 segmenti per
vedere in tempo reale i valori sui bus degli indirizzi e dei dati.
\begin{center}
-\begin{tabular}{ >{\bfseries}r p{.8\linewidth} }
+\begin{tabular}{ >{\bfseries}r p{.8\textwidth} }
0Hz & Il clock manuale \`e un bottone che permette di creare
le pulsazioni, per poter analizzare ogni istruzione \\
200Hz & Mediante un classico circuito con un LM555 si ha un clock
@@ -126,12 +156,48 @@ vedere in tempo reale i valori sui bus degli indirizzi e dei dati.
\end{tabular}
\end{center}
-\subsection{Memory management unit}
+\subsubsection{Implementazione dei generatori di clocks}
+\subsubsection{Uscite verso l'esterno (DIN 41612)}
+Per poter estendere lo \prj a lato \`e presente un connettore {\tt DIN 41612}
+per poter interfacciare schede di estensione della funzionali\`a siccome il
+progetto lascia liberi la maggior parte dei 16KB dell'\emph{i/o space}, ovvero
+la parte di address space in cui \`e previsto di mappare dispositivi esterni.
+\begin{table}[H]
+\caption{Mappatura dei segnali nel connettore DIN 41612}
+\vspace{5pt}
+\resizebox{\textwidth}{!}{\begin{tabu}{l l l l l l l l l l l l l l l l}
+ \toprule
+ 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 10 & 11 & 12 & 13 & 14 & 15 & 16 \\
+ \midrule
+ \rowfont{\tt}
+ GND & GND & VCC & VCC & D0 & D1 & D2 & D3 & D4 & D5 & D6 & D7 & A0 & GND & A2 & A1 \\
+ \\
+ \toprule
+ 17 & 18 & 19 & 20 & 21 & 22 & 23 & 24 & 25 & 26 & 27 & 28 & 29 & 30 & 31 & 32 \\
+ \midrule
+ \rowfont{\tt}
+ A4 & A3 & A6 & A5 & A8 & A7 & A10 & A9 & 12 & A11 & A14 & A13 & & A15 & & \\
+ \\
+ \toprule
+ 33 & 34 & 35 & 36 & 37 & 38 & 39 & 40 & 41 & 42 & 43 & 44 & 45 & 46 & 47 & 48 \\
+ \midrule
+ \rowfont{\tt}
+ \inv{RD} & & & \inv{WR} & & GND & & \inv{M1} & & GND & \inv{INT} & \inv{RST} & \inv{MREQ} & \inv{NMI} & \inv{HALT} & \inv{IORQ}\\
+ \\
+ \toprule
+ 49 & 50 & 51 & 52 & 53 & 54 & 55 & 56 & 57 & 58 & 59 & 60 & 61 & 62 & 63 & 64 \\
+ \midrule
+ \rowfont{\tt}
+ \inv{RFSH} & \inv{WAIT} & GND & & \inv{BUSREQ} & & \inv{BUSACK} & & CLK & & & & VCC & VCC & GND & GND\\
+\end{tabu}}
+\end{table}
+
-Alcuni modelli sucessori dello Z8400 implementavano ina MMU (Memory Management
-Unit) SoC che permetteva di ampliare la dimensione dell'address space,
-permettendo quindi di mappare pi\`u memorie o dispositivi separati negli
-stessi indirizzi. Ci\`o \`e un sistema \`e comune nei sistemi a base di
+\subsection{Memory management unit}
+Alcuni modelli sucessori dello Z8400 implementavano ina MMU (Memory
+Management Unit) SoC che permetteva di ampliare la dimensione dell'address
+space, permettendo quindi di mappare pi\`u memorie o dispositivi separati
+negli stessi indirizzi. Ci\`o \`e un sistema \`e comune nei sistemi a base di
microcontrollers per ovviare al problema dello spazio. Lo \prj per\`o ha un
architettura pi\`u simile ad un computer X86 in cui la MMU viene utilizzata
per la gestione delle \emph{pagine} di memoria.
@@ -139,15 +205,123 @@ per la gestione delle \emph{pagine} di memoria.
Il concetto di pagine (pages in inglese) \`e necessario per sistemi con un
supporto per il multitasking o per poter ampliare la memoria dinamica.
-\section*{Glossario Tecnico}
+\break
+\section{Software}
+\subsection{Organizzazione del codice sorgente C}
+Il codice sorgente dell'intero progetto \`e contenuto nella cartella {\tt
+sw/z80}.
+\begin{itemize}
+ \item {\tt arch} -- Contiene headers e codice essenziale che descrive la
+ configurazione del dispositivo (es: gli indirizzi dei dispositivi).
+ \item {\tt drivers} -- Contiene il codice per i drivers dei vari
+ dispositivi, il tutto viene compilato in una libreria statica.
+ \item {\tt kernel} -- Contiene il codice della kernel monolitica del progetto.
+ \item {\tt libc} -- Contiene delle implementazioni parziali di alcune
+ funzioni della standard library. Non pi\`u utilizzata.
+ \item {\tt tests} -- Contiene delle test units per controllare
+ individualmente parti del progetto.
+\end{itemize}
+
+\subsection{C Toolchain}
+Per compilare il codice per lo \prj \`e necessario utilizzare un \emph{cross
+compiler} che sia in grado di compilare per l'architettura dello z80. Per
+questo progetto si \`e scelto di utilizzare SDCC (Small Device C Compiler),
+siccome \`e un progetto ancora in sviluppo attivo ed \`e utilizzato anche per
+compilare in molte altre piattaforme. Per compilare un codice sorgente in un
+object con SDCC per lo Z80 si utilizza il seguente comando:
+\begin{verbatim}
+$ sdcc -mz80 -pedantic --no-std-crt0 <crt0> \
+ --allow-unsafe-read \
+ -I. -c <source_file> -o <object_file>
+\end{verbatim}
+In cui {\tt <source\_file>} \`e il documento con il codice sorgente e {\tt
+<object\_file>} \`e il nome dell'object (solitamente lo stesso del sorgente
+con l'estensione {\tt .o}). Mentre per linkare gli objects e generare un
+eseguibile si utilizza
+\begin{verbatim}
+$ sdcc -mz80 --no-std-crt0 <crt0> \
+ --code-loc=<addr> <objects> -o <hexfile>
+
+$ makebin -s <rom_size> -yo 1 -ya 1 <hexfile> <binary>
+\end{verbatim}
+Gli argomenti {\tt -yo 1 -ya 1} specificano rispettivamente il numero di
+banchi di ROM e di RAM.
+
+\subsection{CRT0 per lo Z80}
+In C il CRT0 \`e un insieme di routines che vengono eseguite prima del codice
+C che servono ad inizializzare il sistema. Nel caso dello \prj \`e utilizzato
+per inizializzare lo stack pointer e per organizzare i settori dell'eseguibile.
+Un esempio di crt0 utilizzato per il progetto:
+\lstset{escapechar=@,style=customasm}
+\begin{lstlisting}
+ .module crt0
+ .area _HEADER (ABS)
+
+;; Reset vectors
+ .org 0
+ jp init
+
+ ; the instruction 0xff (not written)
+ ; resets to this location
+ .org 0x38
+ jp init
+
+;; main code
+ .org 0x100
+ .globl _main
+
+init:
+ ;; Set stack pointer directly above top of memory.
+ ld sp,#0xffff
+
+ ;; Start of the program
+ call _main
+ jp _exit
+
+_exit:
+ halt
+ jp _exit
+
+;; Ordering of segments for the linker.
+ .area _HOME
+ .area _CODE
+ .area _INITIALIZER
+ .area _GSINIT
+ .area _GSFINAL
+
+ .area _DATA
+ .area _INITIALIZED
+ .area _BSEG
+ .area _BSS
+ .area _HEAP
+\end{lstlisting}
+
+Il CRT0 essendo scritto in assembly deve essere compilato prima utilizzando un
+assembler per lo Z80, per esempio quello fornito in SDCC.\@
+\begin{verbatim}
+$ sdasz80 -o <crt0.s>
+\end{verbatim}
+
+Quindi l'argomento {\tt --no-std-crt0 <crt0>} per il compiler descritto precedente non
+\`e assolutamente necessario ma \`e consigliato siccome permette di avere un
+controllo maggiore del contenuto dell'eseguibile.
+
+\subsection{Codice sorgente VHDL}
+Il codice sorgente in VHDL per la CPLD utilizzata come address decoder e MMU,
+\`e contenuto nella cartella {\tt sw/cpld}. La toolchain utilizzata \`e quella
+offerta da Lattice.
+
+\break
+\section*{Glossario Tecnico}
+{\def\arraystretch{1.4}
\begin{tabular}{ >{\bfseries}p{.3\linewidth} p{.7\linewidth} }
Address Space & In informatica l'\emph{address space} \`e un intervallo di
indirizzi che possono corrispondere a indirizzi in rete, regioni di un
dispositivo, di una memoria o di un qualsiasi altro dispositivo fisico o
logico. Per questo progetto \emph{address space} si riferisce
- all'intervallo indirizzabile dal processore, ovvero $2^{16}$ locazioni
+ all'intervallo indirizzabile dal processore, ovvero \(2^{16}\) locazioni
siccome il sistema dispone di un bus a 16 bit. \\
Registro & Un registro \`e un dispositivo di memoria in cui \`e possibile
@@ -156,8 +330,8 @@ supporto per il multitasking o per poter ampliare la memoria dinamica.
dunque 8, 16, 32 o 64 bits. In questo documento viene viene comunemente
utilizzato per riferirsi ad una memoria di un dispositivo fisico come la
CPU o un IC seriale. \\
-
+\end{tabular}}
-\end{tabular}
+\section*{Bibliografia}
\end{document}