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diff --git a/doc/report/z80uPC.tex b/doc/report/z80uPC.tex index aa5d13c..eaad987 100644 --- a/doc/report/z80uPC.tex +++ b/doc/report/z80uPC.tex @@ -1,10 +1,299 @@ \documentclass[a4paper, 11pt, twoside]{article} +\usepackage{array} +\usepackage{float} +\usepackage{wrapfig} +% source code +\usepackage{listings} -\title{Z80 Single Board Computer Development} +% set correct hypenation +\usepackage[italian]{babel} + +% set margins +\usepackage[ + inner=2.5cm, + outer=2.5cm, + top=3cm, + bottom=3.75cm +]{geometry} + +% set headers +\usepackage{fancyhdr} +\pagestyle{fancyplain} +\fancyhf{} +\setlength{\headheight}{1.3cm} +\rhead{\includegraphics[height=1.25cm]{res/logo_sam}} +\lfoot{SAM 3E - Naoki Pross} +\rfoot{\thepage} + +% set font +\usepackage{fontspec} +\setmainfont{Roboto} +\setmonofont{Roboto Mono} + +% to fix macros +\usepackage{xspace} +% commands +% macro for project name +\newcommand{\prj}{Z80μPC\xspace} + +% invert signal (not, active low) +\newcommand{\inv}[1]{$\overline{\mbox{#1}}$} + +% metadata +\title{\vspace{-1cm}\texttt{\prj} Single Board \\ Computer Development } \author{Naoki Pross} +% document \begin{document} - \maketitle + +\maketitle +\begin{abstract} + Lo Zilog Z80 \`e un processore a 8 bit che fu introdotto nel 1976 che ebbe + un grandissimo successo nel mondo dell'elettronica e dell'informatica + nella fine del 20esimo secolo. In memoria di questo processore pioniere + dell'industria di sistemi embedded ho deciso di costruire un computer a + scopo generico intorno a questa piattaforma. L'obiettivo \`e di realizzare + una scheda programmabile con tutti i componenti necessari come ROM, RAM e + timers per far funzionare del software programmato se possibile sul + dispositivo stesso. +\end{abstract} + +\section{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 mio progetto ho deciso di +utilizzare il modello originale \texttt{Zilog Z8400} che non dispone di +sistemi integrati come i modelli SoC odierni. Le specifiche pi\`u importanti +sono elencate a seguire. + +\begin{itemize} + \item Architettura a 8 bit con bus a 16 bit con 64K indirizzi indirizzabili + \item Registri a 16 bit per {\tt SP,PC} e registri di utilizzo generico a + 8 bit {\tt A..F} combinabili a coppie {\tt AF,BC,..} per utilizzare + valori a 16 bit + \item Clock fino a 8 MHz + \item Segnali di controllo tra cui \texttt{\inv{RD}, \inv{WR}, + \inv{IOREQ}, \inv{MREQ}} e \texttt{\inv{RST}} + \item Interrupts mascherabili e non con vettore a 8 bit +\end{itemize} + +\section{Architettura di base} +Il minimo necessario per far funzionare un computer con lo Z80 sono una ROM e +una RAM, ma per il mio progetto ho scelto di aggiungere dell'hardware +aggiuntivo per lo sviluppo si sistemi pi\`u complessi per apprendere +conoscenze sia nel mondo dell'elettronica che dell'informatica. Per questa +ragione lo \prj possiede i seguienti componenti: + +\begin{center} +\begin{tabular}{ >{\tt}l >{\tt\bfseries}l p{.7\linewidth} } + % \hline \\ + 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) \\ + CTC & Z8430 & Counter timer circuit ufficiale di Zilog a 4 canali che + permette di essere programmato \\ + 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 \\ + USART & TL16C550C & Interfaccia USART per poter comunicare utilizzando il + protocollo RS232 +\end{tabular} +\end{center} + +Oltre a tutto ci\`o per uno scopo formativo lo \prj dispone anche di strumenti +da debug e analisi per comprendere ogni operazione del processore. Il modello +di Z80 scelto \`e in grado di utilizzare un clock fino a 8MHz, ma non +definisce un minimo dunque sono presenti 3 circuiti che generano 3 clock di +velocit\`a differenti. + +\begin{center} +\begin{tabular}{ >{\bfseries}r p{.8\linewidth} } + 0Hz & Questo clock \`e un bottone che permette di creare + manualmente le pulsazioni del clock, per poter analizzare + ogni istruzione \\ + 200Hz & Mediante un classico circuito con un LM555 si ha un clock da + 200Hz per eseguire i programmi a velocit\`a rallentata \\ + 4MHz & Clock per esecuzione a velocit\`a piena (normale) +\end{tabular} +\end{center} + +Una seconda disposizione per aiutare la comprensione del funzionamento del +processore \`e data da 6 display a 7 segmenti che durante l'esecuzione +rallentata o a step (bottone) visualizzano i bytes presenti sulla bus di +indirizzi a 16 bit e sul bus di dati a 8 bit. + +\begin{figure}[!h] \centering + \includegraphics[width=\linewidth]{res/bus_displays} + \caption{Display a 7 segmenti per visualizzare il flusso di dati della + CPU} +\end{figure} + +\section{Memory Management Unit} + +Alcuni modelli successori dello Z8400 implementavano una MMU SoC che +permetteva di indirizzare un address space di dimensione maggiore. Per lo \prj +non necessito di un indirizzamento pi\`u grande ma piuttosto sono interessato +dalle operazioni di gestione della memoria di una MMU simile a ci\`o che +accade nelle architetture X86. Nelle architetture odierne basate sull'X86/64 +\`e presente un sistema di traslazione di indirizzi di memoria da virtuale a +fisica. Con lo scopo di trarne solamente i vantaggi pi\`u fondamentali lo \prj +implementa nella CPLD MMU un sistema basilare di gestione di pagine di memoria +con traslazione di indirizzi in modo da poter allocare pi\`u programmi nella +RAM anche se il sistema non implementa il multitasking. + +% TODO: write about this in more details + +\subsection{Address Space} + +\begin{wrapfigure}{r}{.4\linewidth} \centering + \vspace{8mm} + \includegraphics[width=.9\linewidth]{res/addrspace} + \vspace{4mm} + \caption{Address space dello \prj} +\end{wrapfigure} +La funzione primaria della MMU \`e di mappare i dispositivi I/O e le memorie +nell'address space. Nell'implementazione reale la MMU controlla i segnali {\tt +\inv{CS}} seguendo una logica combinatoria molto semplice che controlla se +l'indirizzo sul bus si trova in una zona definita per un dispositivo. +L'address space si presenta dunque nella seguente maniera, per cui la ROM +occupa il primo quarto, i dispositivi mappabili il secondo quarto e la RAM la +met\`a restante. Essendo un progetto pensato per essere esteso 16KB sono +liberi per mappare dispositivi esterni collegati attraverso il connettore +DIN41612. + +% \begin{wrapfigure}{l}{.4\linewidth} \centering +% \includegraphics[width=.8\linewidth]{res/iospace} +% \end{wrapfigure} + +\subsection{Page Table} + +Per poter controllare la traslazione degli indirizzi la MMU dispone di una +Page Table a cui \`e possibile accedere attraversso un certo indirizzo +nell'I/O space. La page table di 5 bit permette la gestione delle regioni di +memoria da impostare per dei determinati processi. Questa funzione \`e +importante perch\`e permette la separazione dello stack e della memoria della +kernel dai programmi normali. Per lo \prj potrebbe sembrare eccessivo ma +essendo uno strumento per apprendere le fondamenta dell'elettronica e +dell'informatica \`e interessante implementare questa funzionalit\`a che +comunque se necessario pu\`o essere disabilitata. + +\section{Schema a blocchi} + +\begin{figure}[!h] \centering + \includegraphics[width=.85\linewidth]{res/block_diagram} +\end{figure} + +\section{Software / Sistema operativo} + +Negli sviluppi pi\`u recenti intorno allo Z80 esso veniva utilizzato come un +microcontrollore anzich\`e come processore da computer, per questa ragione non +sono presenti molti sistemi operativi per questa piattaforma. Dunque per lo +\prj il progetti implementa un sistema operativo soprannominato {\tt +HelvetiOS} con le funzioni minime necessarie come un interfaccia seriale a +comandi e un meccanismo per caricare i programmi. + +\subsection{Componenti di base} + +Per garantire un funzionamento minimo il sistema {\tt HelvetiOS} deve offrire +drivers e utility di base quali: + +\begin{center} +\begin{minipage}[t]{.4\linewidth} + \begin{itemize} + \item USART driver and API + \item PIO driver and API + \item CTC driver and API + \end{itemize} +\end{minipage}% +\begin{minipage}[t]{.4\linewidth} + \begin{itemize} + \item Bootloader + \item Program launcher + \item Shell-like interface + \end{itemize} +\end{minipage} +\end{center} + +\subsection{Interfacce dell'API} + +Nel corso dello sviluppo questa sezione verr\`a continuamente espansa per +documentare le interfacce dei vari drivers. + +\subsubsection{USART} +\begin{lstlisting}[language=C, basicstyle=\ttfamily] +void usart_set_baudrate(uint16_t baudrate); +void usart_set_parity(int mode); +void usart_set_stop_bits(int count); +void usart_set_word_length(int length); +void usart_set_autoflow(int mode); + +inline void usart_init(uint16_t baudrate, int parity, int stop_bits); + +void usart_transmit(uint8_t data); +uint8_t usart_receive(); + +int usart_write(uint8_t *data, size_t size); +int usart_read(uint8_t *buffer, size_t count); +\end{lstlisting} + +% \subsection{PIO} + +\subsection{Toolchain per la compilazione} + +Per compilare il software del progetto si utilizza SDCC, un progetto +open-source che supporta la compilazione di binari per l'architettura dello +Z80. Nella mia configurazione utilizzo GNU make con il seguente makefile. + +\newpage +\begin{lstlisting}[language=make, numbers=left, basicstyle=\ttfamily] +#### +# Source code settings +# +OSNAME := helvetiOS + +CSOURCES := $(wildcard kernel/*.c) $(wildcard libc/*.c) +OBJECTS := $(patsubst %.c,build/%.rel,$(CSOURCES)) +HEXFILE := build/$(OSNAME).hex +BINARY := build/$(OSNAME).bin + +### +# Compiler settings + +CC := sdcc + +CFLAGS := -mz80 \ + -I kernel/include -I libc/include -DDEBUG + +LDFLAGS := -mz80 --no-std-crt0 crt0.rel \ + --code-loc 0x0800 --data-loc 0x8000 + +.PHONY: dirs dis clean +all: $(BINARY) + +# build binary +$(BINARY): $(OBJECTS) dirs + $(CC) $(LDFLAGS) $(OBJECTS) -o $(HEXFILE) + xxd -r -p $(HEXFILE) $(BINARY) + +$(OBJECTS): build/%.rel : %.c $(CSOURCES) dirs crt0.rel + $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@ + +crt0.rel: crt0.s + sdasz80 -o $< + +dirs: + mkdir -p build build/kernel build/libc + +dis: $(BINARY) + z80dasm -a -g 0h $< -o $(OSNAME).s + +clean: + - rm -rd build/* + - rm $(OSNAME).s + - rm crt0.rel +\end{lstlisting} + \end{document} |