\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}