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-\documentclass[a4paper, 11pt, twoside]{article}
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-\fancyhf{}
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-\rhead{\includegraphics[height=1.25cm]{res/logo_sam}}
-\lfoot{SAM 3E - Naoki Pross}
-\rfoot{\thepage}
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-% 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}
diff --git a/doc/report/z80uPC_nostyle.tex b/doc/report/z80uPC_nostyle.tex
index fe9fa23..569e665 100644
--- a/doc/report/z80uPC_nostyle.tex
+++ b/doc/report/z80uPC_nostyle.tex
@@ -1,5 +1,14 @@
\documentclass[a4paper, 11pt]{article}
+% draftwatermark
+\usepackage{draftwatermark}
+\SetWatermarkText{\tt DRAFT}
+\SetWatermarkLightness{.8}
+\SetWatermarkScale{10}
+
+% urls
+\usepackage{url}
+
% figures
\usepackage{array}
\usepackage{float}
@@ -80,6 +89,10 @@
\end{abstract}
\break
+\tableofcontents
+\break
+
+%-----------------------------------------------------------------------------
\section{Hardware}
\subsection{Specifiche tecniche dello Z80}
@@ -121,7 +134,7 @@ Il minimo necessario per far funzionare uno Z80 sono una {\tt RAM} ed una
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
+\begin{table}[h!]\centering
\caption{Lista dei componenti}
\begin{tabular}{ >{\tt}p{.1\textwidth} >{\tt\bfseries}p{.2\textwidth} >{\footnotesize}p{.6\textwidth} }
\toprule
@@ -156,7 +169,16 @@ vedere in tempo reale i valori sui bus degli indirizzi e dei dati.
\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
@@ -192,20 +214,79 @@ la parte di address space in cui \`e previsto di mappare dispositivi esterni.
\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. 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.
+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}
-Il concetto di pagine (pages in inglese) \`e necessario per sistemi con un
-supporto per il multitasking o per poter ampliare la memoria dinamica.
+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
@@ -235,23 +316,25 @@ $ sdcc -mz80 -pedantic --no-std-crt0 <crt0> \
-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
+<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}
-Gli argomenti {\tt -yo 1 -ya 1} specificano rispettivamente il numero di
-banchi di ROM e di RAM.
+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 organizzare i settori dell'eseguibile.
-Un esempio di crt0 utilizzato per il progetto:
+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}
@@ -303,19 +386,24 @@ assembler per lo Z80, per esempio quello fornito in SDCC.\@
$ 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.
+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{.3\linewidth} p{.7\linewidth} }
+\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
@@ -324,14 +412,49 @@ offerta da Lattice.
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}}
-\section*{Bibliografia}
+\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}
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