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diff --git a/doc/report/build/notes.pdf b/doc/report/build/notes.pdf Binary files differindex 56e2cd1..ad70a98 100644 --- a/doc/report/build/notes.pdf +++ b/doc/report/build/notes.pdf diff --git a/doc/report/build/z80uPC_nostyle.pdf b/doc/report/build/z80uPC_nostyle.pdf Binary files differindex 87cdd60..2ba99e8 100644 --- a/doc/report/build/z80uPC_nostyle.pdf +++ b/doc/report/build/z80uPC_nostyle.pdf 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 Binary files differindex abf9fed..26c28d8 100644 --- a/doc/report/res/addrspace.pdf +++ b/doc/report/res/addrspace.pdf diff --git a/doc/report/res/block_diagram.pdf b/doc/report/res/block_diagram.pdf Binary files differindex 57b42d6..01cc15e 100644 --- a/doc/report/res/block_diagram.pdf +++ b/doc/report/res/block_diagram.pdf diff --git a/doc/report/res/iospace.pdf b/doc/report/res/iospace.pdf Binary files differindex ba36d9d..547febb 100644 --- a/doc/report/res/iospace.pdf +++ b/doc/report/res/iospace.pdf diff --git a/doc/report/res/kernel_mem_base.pdf b/doc/report/res/kernel_mem_base.pdf Binary files differindex 7d2a257..169faae 100644 --- a/doc/report/res/kernel_mem_base.pdf +++ b/doc/report/res/kernel_mem_base.pdf diff --git a/doc/report/res/mem_kern_alloc.pdf b/doc/report/res/mem_kern_alloc.pdf Binary files differindex fd02dfd..61bad0c 100644 --- a/doc/report/res/mem_kern_alloc.pdf +++ b/doc/report/res/mem_kern_alloc.pdf 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} |