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diff --git a/doc/report/z80uPC_nostyle.tex b/doc/report/z80uPC_nostyle.tex new file mode 100644 index 0000000..569e665 --- /dev/null +++ b/doc/report/z80uPC_nostyle.tex @@ -0,0 +1,460 @@ +\documentclass[a4paper, 11pt]{article} + +% draftwatermark +\usepackage{draftwatermark} +\SetWatermarkText{\tt DRAFT} +\SetWatermarkLightness{.8} +\SetWatermarkScale{10} + +% urls +\usepackage{url} + +% figures +\usepackage{array} +\usepackage{float} +\usepackage{wrapfig} + +% 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}, +} + +% language (set correct hypenation) +\usepackage[italian]{babel} +\usepackage{textgreek} + +% to fix macros +\usepackage{xspace} +% commands +% macro for project name +\newcommand{\prj}{Z80\textmu PC\xspace} + +% invert signal (not, active low) +\newcommand{\inv}[1]{\(\overline{\mbox{#1}}\)} + +% metadata +\title{\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 ed ebbe + un grandissimo successo nel mondo dell'elettronica e dell'informatica + 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 +\tableofcontents +\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 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 +combinabili in coppie per ottenere un valore a 16 bit. Per il controllo dei +dispositivi esterni, come lettura e scrittura esso possiede delle linee di +controllo dedicate come {\tt\inv{RD}}, {\tt\inv{WR}}, {\tt\inv{MREQ}}, ecc. In +quanto instruction set, lo Z80 ha 158 istruzioni possibili di cui 78 sono un +sottoinsieme dello 8080A, architettate per poter mantere una +retrocompatiblit\`a. + +\begin{table}[ht]\centering +\caption{Riassunto delle specifiche} + +\begin{tabular}{ l l } + \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 \\ + \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. + +\begin{table}[h!]\centering +\caption{Lista dei componenti} +\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) \\ + CTC & Z8430 & Counter timer circuit ufficiale di Zilog a 4 canali + programmabili \\ + 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 \\ + \bottomrule +\end{tabular} +\end{table} + +Il design dello \prj \`e costruito sulla falsa riga di un Arduino o di un +EasyPIC con l'aggiunta di funzionalit\`a a scopo didattico quali; la +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\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 + per eseguire i programmi a velocit\`a rallentata \\ + 4MHz & Clock per esecuzione a velocit\`a piena (normale) +\end{tabular} +\end{center} + +\subsection{Schema a blocchi} +\begin{figure}[H] + \centering + \includegraphics[width=\textwidth]{res/block_diagram} + \caption{Schema a blocchi del \prj} +\end{figure} + +% TODO +\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} + +% TODO +\subsection{Address space} +L'address space dello z80 \`e in grado di indirizzare 64 KB; la met\`a di +questi \`e assegnata alla RAM e un quarto \`e della ROM. La ROM \`e minore +della RAM perch\'e \`e intesa per essere un bootloader piuttosto che un vero e +proprio OS. +% TODO: redraw with xfig +\begin{figure}[H] +\centering +\includegraphics[height=8cm]{res/addrspace} +\end{figure} + +\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. Lo \prj per\`o cerca di imitare un architettura pi\`u simile ad un +computer X86 in cui la MMU viene utilizzata 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. La conseguenza di questo design implica +per\`o che sia introdotto anche il concetto di \emph{virtual address space} +siccome, potendo reindirizzare a piacimento gli indirizzi, diventa possibile e +conveniente offrire ai programmi eseguiti la stessa struttura di memoria +indipendentemente dalla loro vera locazione in memoria. + +La struttura designata per il progetto \`e la seguente. \`E resa possibile +solamente l'esecuzione di 2 programmi semi-paralleli, perch\`e +l'implementazione di uno scheduler \`e troppo complessa con il CTC a +disposizione. Si pu\`o quindi avviare due programmi ma solamente uno \`e in +esecuzione ed utilizza il 100\% del tempo della CPU. Purtroppo le limitazioni +di questo design non permettono di offrire funzionalit\`a importanti della +kernel, ma in un futuro si potrebbe risolvere il problema estendendo la +piattaforma. Infatti grandi spazi dell'iospace sono stati lasciati liberi per +l'aggiunta di dispositivi esterni. + +\begin{figure}[h!] + \centering + \includegraphics[height=5cm]{res/mmu_ram_map} +\end{figure} + +I due programmi in `esecuzione' sono salvati nella RAM alle locazioni {\tt +0xB000} e {\tt 0xD0000} con 8 KB di RAM per uno. Per passare da un programma +all'altro la kernel offre delle system calls che modificano la \emph{page +table} all'interno della MMU in maniera da mappare l'indirizzo {\tt B000} o +{\tt D000} a {\tt 0000}. + +\begin{figure}[h!] +\centering +\begin{minipage}[c]{.45\textwidth} \centering + \includegraphics[width=\linewidth]{res/mmu_addr} +\end{minipage}% +\begin{minipage}[c]{.45\textwidth} \centering +\begin{verbatim} + Example program running + at address 0xB000 + + Virtual address + LD (#0x1200), #0xFE + + Real Instruction + LD (#0xC200), #0xFE +\end{verbatim} +\end{minipage} +\end{figure} + +Naturalmente ci\`o significa che il programma non ha l'accesso all'iospace, +perci\`o per le operazioni con i dispositivi \`e necessario implementare un +driver nella kernel. Nel caso in cui si volesse creare dei drivers userspace la +kernel dovr\`a mettere a disposizione delle system calls che permettano di +modificare la page table in maniera indiretta. + +\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}). La flag {\tt --allow-unsafe-read} \`e permessa +solamente nella compilazione per Z80 e serve ad indicare al compiler che le +letture da locazioni arbitrarie di memoria sono ammesse (normalmente non lo +sono). 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} +Le flags {\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 indicare al linker come 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. + +% TODO +\subsubsection{Programmazione della MMU} + + +\break +%----------------------------------------------------------------------------- +\section*{Glossario Tecnico} +{\def\arraystretch{1.4} +\begin{tabular}{ >{\bfseries}p{.35\linewidth} p{.65\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 + siccome il sistema dispone di un bus a 16 bit. \\ + + Virtual Address Space & Il virtual address space \`e un livello di + astrazione che estende l'address space utilizzato nelle architetture + moderne (X86 / 64). In un sistema senza VAS, i programmi caricati in + memoria `vedono' l'indirizzo in cui si trovano e devono perci\`o essere + caricati in una regione di memoria continua. In un sistema con VAS invece + al programma figura sempre di avere l'intero address space disponibile per + se, e la MMU si occupa di traslare gli indirizzi virtuali in indirizzi + reali prima che essi raggiungano l'hardware. \\ + + Registro & Un registro \`e un dispositivo di memoria in cui \`e possibile + pu\`o leggere e/o scrivere un certo valore. Normalmente in un computer / + microcontrollore la dimensione della memoria \`e data dall'architettura, + 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. \\ + + Toolchain & Da Wikipedia \cite{wiki:toolchain}: In ambito software, una + toolchain è l'insieme dei programmi (tools) usati nello sviluppo di un + prodotto (tipicamente un altro programma o sistema di programmi). I tool + possono essere utilizzati in catena, in modo tale che l'output di ciascun + tool rappresenti l'input per il successivo, ma il termine è utilizzato in + maniera più estesa per riferirsi, più in generale, a qualunque insieme di + tool di sviluppo collegati tra loro. \\ + + Stack Pointer,\newline Program Counter & Lo Stack Pointer \`e un registro a + 16 bit in cui \`e salvato l'indirizzo della fine (pi\`u in alto, ultimo + inserito) dello stack. Il program counter, un altro registro a 16 bit + contiene l'indirizzo da cui leggere della prossima istruzione da + eseguire.\\ + +\end{tabular}} + +\begin{thebibliography}{2} +\bibitem{wiki:toolchain} + \url{https://it.wikipedia.org/wiki/Toolchain} + +\bibitem{z80book} + \textbf{Paolo Di Leo}, + Z80 Microcomputer didattico, + Gennaio 2016, + Libri SANDIT, + {\tt ISBN 978-88-6928-142-6} + +\end{thebibliography} + +\end{document} |