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diff --git a/doc/report/z80uPC.tex b/doc/report/z80uPC.tex deleted file mode 100644 index 50034ec..0000000 --- a/doc/report/z80uPC.tex +++ /dev/null @@ -1,307 +0,0 @@ -\documentclass[a4paper, 11pt, twoside]{article} - -\usepackage{array} -\usepackage{float} -\usepackage{wrapfig} - -% source code -\usepackage{listings} - -% 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 -\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 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} - -\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 progetto \prj la CPU in -uso \`e 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, 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} |