\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 \ --allow-unsafe-read \ -I. -c -o \end{verbatim} In cui {\tt } \`e il documento con il codice sorgente e {\tt } \`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 \ --code-loc= -o $ makebin -s -yo 1 -ya 1 \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 \end{verbatim} Quindi l'argomento {\tt --no-std-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}