Slayt 1

1
(No Transcript)
2

• Bu proje,
• CPU TURKEY 2008
• Türkiye Islemcisini Tasarliyor
• yarismasi için
• Logic and Computer Design Fundamentals,
  M.Morris Mano, Charles Kime, Prentice Hall 2nd
  Edition, 2000.
• Isimli Kitap Temel alinarak
• MOMENTUM PROJE GRUBU
• tarafindan hazirlanmistir.

3
MOMENTUM FIZIKSEL ISLEMCISI
4
IÇINDEKILER

• Sistemin Temel Özellikleri
• Islemcinin Yapisi ve Isleyisi
• Dis baglantilar
• Momentum Komut Çevirici
• Deney çiktilari
• Sonuçlar

5
SISTEMIN TEMEL ÖZELLIKLERI

• Bu çalismada
• 16 bitlik veri yoluna sahip,
• Memory to register, register to memory,
  register to register veri transferlerini
  gerçeklestirebilen,
• 8i kullanici tarafindan kontrol edilebilen
  toplam 17 adet ACC yazmaçli yazmaç ünitesine
  sahip,
• CISC ve Von-Neumann Mimarisi mimarisinde,
• 40 Mhz maksimum çalisma frekansli,

6

• 8 ayri adresleme modunda 45 degisik komutu
  kosturabilen
• 1 veya 2 kelimelik komutlara sahip
• 10 farkli kosul için dallanma yetenegi olan
• Derleyici destegi ile program yazabilen
• Mikroprogram kontrollü
• bir islemci tasarlanmistir.

7

• Tasarim, Xlinx Webpack programinda yapilmis
  olup simulasyonda ModelSim programi
  kullanilmistir.
• Hazirlanan sanal islemci Spartan-3E
  Starter Kite gömülerek fiziksel islemci
  hazirlandi.
• Son olarak da Boardun klavye, LCD ,
  Monitör ve Seri Port ile haberlesmesi
  saglanarak kontrolü kolaylastiridi.

8
Desteklenen Adresleme Kipleri

• Saklayici kipi (register)
• Saklayici dolayli kip (register
  indirect)
• Ivedi adresleme (immediate)
• Dogrudan adresleme (direct)
• Bagil adresleme (relative)
• Dolayli bagil adresleme (relative indirect)
• Sirali adresleme (indexed)
• Dolayli sirali adresleme (indirect indexed)

9
Komut Kümesi
Operandsiz Bir operand Iki
operand Program kontrol

• NOP
• PSHR
• POPR
• RET
• RTI
• HALT

• PUSH
• POP
• INC
• DEC
• NEG
• COM
• SHR
• SHL
• SHRA
• SHLA
• ROR
• ROL
• RORC
• ROLC

• MOVE
• XCH
• ADD
• ADDC
• SUB
• SUBB
• MUL
• DIV
• CMP
• AND
• OR
• XOR
• MULH
• MULS

• JMP
• CALL
• BZ
• BNZ
• BC
• BNC
• BN
• BNN
• BV
• BNV
• SYSCALL

10
Komut Kümesi

• NOP No operation
• PSHR Push registers
• POPR Pop registers
• RET Return (from a subroutine)
• RTI Return from interrupt
• HALT Halt
• PUSH Push
• POP Pop
• INC Increment
• DEC Decrement
• NEG Negate
• COM Complement

11
Komut Kümesi

• SHR Shift right (logical)
• SHL Shift left (logical)
• SHRA Shift right arithmetic
• SHLA Shift left arithmetic
• ROR Rotate right
• ROL Rotate left
• RORC Rotate right with carry
• ROLC Rotate left with carry
• MOVE Move
• XCH Exchange
• ADD Add
• ADDC Add with carry
• SUB Subtract

12
Komut Kümesi

• SUBB Subtract with borrow
• MUL Multiply (with microprogram)
• DIV Division
• CMP Compare
• AND And
• OR Or
• XOR Executive-Or
• MULH Multiply (with hardware)
• MULS Multiply (with software)
• JMP Jump
• CALL Call ( a subroutine)
• BZ Branch if zero
• BNZ Branch if not zero
• BC Branch if carry

13
Komut Kümesi

• BNC Branch if not carry
• BN Branch if negative
• BNN Branch if not negative
• BV Branch if overflow
• BNV Branch if not overflow
• SYSCALL System call (software interrut)

14
ISLEMCININ YAPISI VE ISLEYISI

• Sistem CISC mimarisindedir tasarlanmistir
  VHDL yaziminda öncelikle her eleman component
  halinde tasarlanmistir. Daha sonra bu
  componentler birlestirilerek CPU
  olusturulmustur.
• Islemlerin kosmasi için gerekli olan
  mikroinstruction ve kodlar donanimin içine
  yüklenmistir.
• Sistem yapisi donanim ve yazilim olarak ikiye
  ayrilir

15
I. Donanim

• Temel olarak 3 birimden olusur. Bunlar
• Veri yolu(Datapath)
• Hafiza elamani(Memory)
• Kontrol ünitesi (Control Unit) dir.

16
(No Transcript)
17
1. Veri Yolu

• Veri yolu, alinan bilginin islendigi
  kisimdir. Dört ana birimden olusur. Bunlar
• Yazmaçlar (register file),
• Muxlar (mux A, mux B,mux D),
• Fonksiyon Ünitesi,
• PSR ile MSTS
• olarak düsünülebilir.

18
A) Register File

• 8i kullanici tarafindan, 8i ise kullanici
  kullanimina kapali olup mikro-komutlarca
  kullanilan toplam 16 adet ACC tipi yazmaçtan
  olusur.

19
(No Transcript)
20
B) Multipilexerler

• Verini gidecegi yolu seçmek için kullanilir.
• Veriyolunda Mux A, Mux B ve Mux D
  çoklayicilari vardir. Mux A ve Mux B fonksiyon
  ünitesi ve bellege girisleri, Mux D ise veri
  yolundan çikislari denetler

21
C) Fonksiyon Ünitesi

• Fonksiyon ünitesi asil isi yapan bölümdür.
  Gelen sinyali aritmetik, lojik veya kaydirma
  islemlerine tabi tutarak isler.
• Yapisinda bir adet aritmetik lojik ünite (ALU)
  ve bir adet kaydirici (Shifter) bulunur.
• ALU ise 2 ana bölümden olusur, birincisi
  aritmetik islemle yapan aritmetik ünitesi (AU),
  digeri ise lojik islemleri gerçeklestiren
  lojik ünitesidir.

22

• Fonksiyon ünitesinin ayrica 4 adet çikisi
  vardir. Bunlar gerçeklenen islemin sonucu
  hakkinda yorum yapan çikislardir.
• Islemin sonucunda tasma varsa V çikisi,
  elde varsa C çikisi, islemi sonucu negatif
  ise N çikisi, 0 ise Z çikisi lojik 1
  verir. 0 iken lojik 1 verir.
• Fonksiyon ünitesinin, yapilacak fonksiyon
  seçen 5 bitlik FS girisi vardir.

23
(No Transcript)
24
(No Transcript)
25
D) PSR ile MSTS

• PSR ile MSTS Durum bayraklarinin saklandigi
  yazmaçlardir.

• PSR, makro durum bitlerinin saklandigi
  yazmaçtir. Bir önceki komut hakkindaki durum
  bayragini saklar.
• PSR 4 ü V C N Z bir biti EI olmak üzere 5
  bitliktir.

26

• MSTS, mikro-durum bitlerinin saklandigi
  yazmaçtir. Bir önceki mikro-rutin satiri
  hakkindaki durum bayragini saklar.
• MSTS ise sadece 4 bitlik v, c, n, zyi
  hafizalamaktadir.

27
(No Transcript)
28
2. Hafiza Ünitesi(Memory)

• Memory ünitemiz standart hafiza biriminin
  giris ve çikislarina sahiptir.
• Data in, address in ve MO olmak üzere üç
  girisi, data out olarak da bir çikisi
  bulunmaktadir.
• Data in ve Address girisleri,
  registerlardan çikan Data out ve Addres
  out ana hatlarina baglanmistir.

29

• Bellegimizin hücre genisligini
  islemcimizdeki veri yolu genisligi
  belirlemektedir. Veri yolu genisligimiz 16 bit
  oldugu için hücre genisligi 16 bittir.
• Satir sayisini belirlemek için ise bellegin
  adres girisine veri yolunun adres çikisinin LSB 7
  biti baglanmistir.

30
3. Kontrol Ünitesi

• Islemlerin akisi için kendini kontrol edecek
  kodlari ve bu islemlerin uygulandigi veri yolunu
  kontrol eden komutlari üreten kisimdir.
• Kontrol ünitesi Genel olarak 4 ana kisim
  içerir

31

• 1. Instruction Register 16 bitlik
  Instruction Wordün yazildigi bölümdür. Veri,
  veri yolundan veya bellekten gelebilir.

32

• 2. Instruction to Microaddress Mapper
  IRden gelen bilgiye ve o andaki Control
  Romun yolladigi bilgiye göre kendi içindeki
  romdan bir adresi seçer ve o adresteki
  bilgiyi Microsequencera yollar.

33

• 3.Microsequencer Kontrol ünitesinin
  kalbidir. Komut akisinin düzenini saglayip
  Control Roma uygulanacak olan komutun adresini
  yollar.

34

• 4.Kontrol ROM Microsequencerdan gelen
  adres bilgisinin karsiligi olan veriyi hem
  kontrol ünitesine hem de veri yoluna uygular.

35
II. Yazilim

• Proje kapsaminda yazilim ile kastedilen,
  mapping (haritalayici) ROM, kontrol ROM ve
  memory (hafiza elemani)e yazilmasi gereken
  kodlardir.
• Bu kodlar veri yolunda islenecek bilgiyi seçer
  ve siralar, ardindan islenen bilginin istenen
  konuma yazilmasini saglar.
• Yazilim için gerekli olan ASM asagidadir.

36
(No Transcript)
37

• Komut türüne göre degisiklik gösterse de genel
  olarak komutlari isleme isi 5 mikro-rutinde
  gerçeklesir. Buna göre
• Ilk olarak hafiza elemaninda islenecek
  kod alinarak instruction register (komut
  yazmaci)a yazilir.
• Buradan operasyon kodu(opcode)nun ilk üç
  bitine bakilarak yapilacak islemin operand sayisi
  belirlenir. Eger operand sayisi 0dan farkli ise
  operand alimi yapilir.

38

• Daha sonra her islem kendi operand sayisina
  göre yürütülür (EX,execution mikrorutini).
  Yürütülmekten kasit, kontrol ünitesi
  çikislarinin veri yoluna uygulanarak gerekli
  islem sonuçlarinin alinmasidir.
• Executiondan sonra ise sira veri yolundan
  çikan sonucun ne yapilacagina karar vermeye
  gelmistir. Islemin özel durumlarina göre gerekli
  görülen sonuçlar memory veya yazmaçlara
  yazilir(WB, write-back mikro-rutini).

39

• Seçilen islemin dallanma olmasi durumu
  ise veri yolundan bagimsiz, tamamen program
  siralamasi ile ilgili olup Hafiza elemanlarina
  yazilma yapilmaz.
• Son olarak ise disaridan bir kesme isteginin
  olup olmadigini kontrol etmek için gerekli kesme
  sinyalleri kontrol edilir ve eger yoksa yeni
  bir komut alabilmek için IF e
  yönlendirilir(INT, interrupt handling
  mikro-rutini).

40
DIS BAGLANTILAR

• Anahtar ve ledler
• Klavye
• Lcd
• Vga
• Rs-232

41
Anahtar ve Ledler
42
Klavye

• Klavyenin ikincil karakter özellikleri
  kullanilmamaktadir. Bunun yerine bazi tuslara
  bazi görevler yüklenmistir ve bu proje için
  yeterli olmaktadir.
• Klavyede bilgi girisi hexadecimal olarak
  yapilmalidir.
• Görevli tuslar ve görevleri sunlardir

43

• 0,1,2,3,...,9,A,B,C,D,E,F Hexadecimal sayi
  girmek için kullanilir.
• Esc Clear_All(Reset) tusudur. Islemcideki
  bütün elemanlarin ilk halini geri yükler.

44

• Enter Klavyeden bilgi yükleme isleminde
  kullanilir. Load ve Stop açikken istenilen bilgi
  ekrana yazilir. Yama islemi bittikten sonra load
  0a çekilip entere basilirsa yükleme
  gerçeklesir.
• TAB Adres ve Data arasinda geçisi saglar.
  Yani adres yazildiktan sonra taba basilarak
  dataya yada data konumundan adres konumuna
  devamli geçisi saglar.

45

• F1,F2,...,F7 LCD den görüntülenen bilgileri
  seçer. Detayli bilgi raporda da verilmisti.
• G tusu Halt komutundan kurtarmak için
  gerekli go anahtaridir
• S tusu LCD ekrana yazilan adres yada data
  bilgisinin tamamini temizler.

46

• R tusu PCnin içerigini sifirlar. Daha önceki
  sürümde PCyi sifirlamak için Load ve Stop ayni
  anda 1 yapiliyordu. Bu sürümde bu özellik
  Kaldirildi. Nedeni ise bazi durumlarda
  sakincalari olmasiydi. Bu sürümde PCyi
  sifirlamak için klavyeden R tusuna basilir.
• Backspace Silme tusudur. Ekrana yazilan son
  harfi siler.

47
LCD

• Mod 010 için
• REG50 x XX
• REG60 x XX
• Mod 011 için
• REG70 x XX
• IR0 x XX
• Mod 100 için
• PC0 x XX
• SP0 x XX

• Hâlihazirdaki islemcide LCDnin modlari ve
  modlardaki kaliplar su sekildedir
• Mod 000 için
• REG10 x XX
• REG20 x XX
• Mod 001 için
• REG30 x XX
• REG40 x XX

48
NOT LCD ekrandaki bilgiler 16lik tabanda
gösterilir.

• Mod 101 için
• M-ADR 0 x XX
• M-DATA0 x XX
• Mod 110 için
• M-ADR 0 x XX
• M-DATA0 x XX

• Mod 111 için
• MOMENTUM
• 2008
• .

49
VGA

• CPU nun içindeki bazi verileri
  ögrenebilmek için ekrana çikti aldik böylece CPU
  MOMENTUMun hangi asamada oldugunu veya yapilan
  islemin sonuçlari görebiliyoruz

50
RS-232 Seri Port

• RS'232 seri portunun amaci islemci çalisirken
  bellege yeni komutlar yazabilmektir. Bu sayede
  sistem board üzerine bir kez kurulduktan sonra,
  tekrar tekrar derlenip yüklemeye gerek birakmadan
  seri port araciligiyla harici bir bilgisayardan
  programlanabilecektir.
• Ayrica seri port ile Momentum Komut Çevirici
  haberlestirilerek, MKC yardimiyla islemcinin
  diline çevrilen komutlar direk olarak islemciye
  de yüklenebilmektedir.

51
MOMENTUM KOMUT ÇEVIRICI

• Kullanici tarafindan yazilan kodlari CPUnun
  taniyacagi makine koduna çevirmek amaciyla MKC
  isimli kod çevirme programi hazirlanmis ve ekte
  kullanima sunulmustur.
• Kullanim için gerekli detayli bilgi yardim
  mönüsünden rahatlikla edinilebilinir.

52

• MKC kodu, çevirmenin yaninda, çevirilen kodu
  alansal olarak inceleme, hata ayiklama, hex
  olarak çikti verme olarak detayli sekilde
  inceler.
• Çevrilen komutlari dosyaya yaz özelligi ile
  istenen bölümleri istenen dosyaya yazar.
• Bunu yaninda komutlar mikroislemciye yükle
  butonu ile, RS232 seri portu yardimiyla
  mikroislemciye yüklenebilir. Bunun için butona
  basildiktan sonra gerekli talimatlara uymak
  yeterli olacaktir.

53
(No Transcript)
54
(No Transcript)
55
(No Transcript)
56
DENEY ÇIKTILARI

• Sanal islemci tasarlandiktan sonra tasarim
  boarda yüklendi ve board üzerine deneyler
  yapilmaya baslandi. Bunlardan bir örnek asagida
  fotograflariyla beraber gösterilmistir
• Öncelikli olarak Project nevigatordan boarda
  yükleme yapilirken bellege asagida görülen iki
  komut initial olarak yazilmistir. Daha sonra
  bütün kodlar derlenerek boarda gömülmüstür.

57
(No Transcript)
58

• Ardindan boarda yüklenen tasarimin memorisinin
  içerigi F6 tusuna basilarak kontol edilmis ve
  girilen init memory datalarinin belrtilen
  adreslere gerçekten yüklenmis oldugu görülmüstür.

59

• Regsterlerin ilk degerleri, sanal tasarimin
  yazmaç ünitesinde kendi register numaralari
  olarak atanmisti. Bu durumda yazilan koda göre
  islem sonucu olarak 3 numarali registere
  hexadecimal olarak 18 sayisinin yani 12 nin
  yazilmis olmasi gerekmektedir ki gerçekten sonuç
  dogru olarak görülmektedir.

60

• Ardindan disaridan girilecek olan bir kodun
  bellege yazilip, kosturulmasi amaciyla bir deney
  yapilmistir. Buna göre MKCye bir add, bir jump
  ve bir halttan olusan asagidaki programcik
  yazilmis

61

• Ve opcodelari klavye yardimiyla asagidaki gibi
  girilmistir

62

• ve beklenildigi gibi asagidaki basarili
  çiktilar alinmistir

63

• Görüldügü gibi toplam sonucu olan 9 4
  numarali yazmaca yazilmis ve PC, 12 numarali
  adrese gitmis ve halt komutu oldugu için oada
  beklemeye baslamistir.
• Bu gibi deneylerin hemen hepsi basarili sonuç
  vermis ve denenen komutlarin tamamindan dogru
  sonuçlar alinmistir.

64
SONUÇLAR

• Kodlarin derlenmesi sonucu alinan derleme
  sonuçlari asagidaki gibidir

65

• HDL Synthesis Report
• Macro Statistics
• ROMs
  9
• 16x6-bit ROM
  1
• 16x7-bit ROM
  8
• Multipliers
  1
• 8x8-bit multiplier
  1
• Adders/Subtractors
  10
• 10-bit adder
  1
• 16-bit adder
  3
• 16-bit subtractor
  1
• 17-bit adder carry in
  1
• 17-bit subtractor
  1
• 5-bit adder
  1
• 8-bit adder
  2
• Counters
  6
• 10-bit up counter
  2
• 2-bit up counter
  2

• Comparators
  22
• 10-bit comparator greatequal
  2
• 10-bit comparator less
  1
• 11-bit comparator greatequal
  4
• 11-bit comparator lessequal
  4
• 3-bit comparator not equal
  1
• 32-bit comparator greatequal
  2
• 32-bit comparator less
  2
• 32-bit comparator not equal
  2
• 5-bit comparator greatequal
  1
• 5-bit comparator less
  1
• 7-bit comparator greatequal
  1
• 7-bit comparator lessequal
  1
• Multiplexers
  18
• 1-bit 16-to-1 multiplexer
  1
• 1-bit 8-to-1 multiplexer
  1
• 16-bit 128-to-1 multiplexer
  2
• 16-bit 16-to-1 multiplexer
  2
• 16-bit 4-to-1 multiplexer
  4

66

• Advanced HDL Synthesis Report
• Macro Statistics
• FSMs
  1
• ROMs
  9
• 16x6-bit ROM
  1
• 16x7-bit ROM
  8
• Multipliers
  1
• 8x8-bit multiplier
  1
• Adders/Subtractors
  10
• 10-bit adder
  1
• 16-bit adder
  3
• 16-bit subtractor
  1
• 17-bit adder carry in
  1
• 17-bit subtractor
  1
• 5-bit adder
  1
• 8-bit adder
  2
• Counters
  6
• 10-bit up counter
  2

• Comparators
  22
• 10-bit comparator greatequal
  2
• 10-bit comparator less
  1
• 11-bit comparator greatequal
  4
• 11-bit comparator lessequal
  4
• 3-bit comparator not equal
  1
• 32-bit comparator greatequal 2
• 32-bit comparator less
  2
• 32-bit comparator not equal
  2
• 5-bit comparator greatequal
  1
• 5-bit comparator less
  1
• 7-bit comparator greatequal
  1
• 7-bit comparator lessequal
  1
• Multiplexers
  78
• 1-bit 128-to-1 multiplexer
  32
• 1-bit 16-to-1 multiplexer
  33
• 1-bit 8-to-1 multiplexer
  1
• 16-bit 4-to-1 multiplexer
  4
• 16-bit 7-to-1 multiplexer
  2

67

• Speed Grade -4
• Minimum period 26.173ns (Maximum Frequency
  38.207MHz)
• Minimum input arrival time before clock
  14.114ns
• Maximum output required time after clock
  13.283ns
• Maximum combinational path delay 5.760ns

68

• Izlediginiz için tesekkür ederiz