Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
CPU TURKEY
CPU-KULIS MİKROİŞLEMCİSİ ÇALIŞMA RAPORU
Proje Danışmanı: Prof. Dr. Sarp ERTÜRK, Kocaeli Üniversitesi, Elektronik ve
Haberleşme Mühendisliği Bölümü
Proje Yetkilisi: Arş. Gör. Anıl ÇELEBİ, Kocaeli Üniversitesi, Elektronik ve
Haberleşme Mühendisliği Bölümü
Proje Ekibi: Çağrı GÜVENEL
Ahmet TEKYILDIZ, Kocaeli Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme
Mühendisliği Bölümü, 3. sınıf öğrencileri
Akademik Destek: Yrd. Doç. Dr. Oğuzhan Urhan, Kocaeli Üniversitesi Elektronik ve
Haberleşme Mühendisliği Bölümü
Yrd. Doç. Dr. Mehmet Kemal GÜLLÜ, Kocaeli Üniversitesi Elektronik
ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü
1
İçindekiler
İçindekiler ................................................................................................................................... 1
Şekiller Dizini ............................................................................................................................ 3
Tablolar Dizini ........................................................................................................................... 4
Önsöz .......................................................................................................................................... 1
1. CPU-KULIS MİKROİŞLEMCİSİNİN GENEL YAPISI ...................................................... 2
1.1. Cpu-Kulis Mikroişlemcisi Genel Şematik Gösterimi ..................................................... 3
1.2. Cpu-Kulis Mikroişlemcisinin Ana Öbekleri ................................................................... 3
1.2.1. Komut çekme ........................................................................................................... 3
1.2.2. Kod çözme ................................................................................................................ 4
1.2.3. Yürütme .................................................................................................................... 5
1.2.4 Geri yazma ................................................................................................................ 6
1.3. Ardışık Düzen Hata Denetimi: ........................................................................................ 8
2. CPU-KULIS DERLEYİCİSİ ................................................................................................. 9
2.1. Giriş ............................................................................................................................... 10
2.2. Derleyici Kullanımı ....................................................................................................... 10
2.2.1 Komut kümesinin kullanımı: ................................................................................... 11
2.2.2 Sembolik sabit tanımlama: ...................................................................................... 13
2.2.3- Etiket tanımlama: ................................................................................................... 13
2.2.4- Başlama noktası tanımlama: .................................................................................. 13
3. KOMUTLARIN İŞLEM BASAMAKLARI ........................................................................ 14
2
4. BENZETİM SONUÇLARI………………………………………………………………...15
4.1. Giriş……………………………………………………………………………………15
4.2. Örnek Kodun Derlenme Aşaması………………………………………………….....16
4.3. Benzetim………………………………………………………………………………18
4.4. Benzetim Sonuçları……………………………………………………………………23
5. FİZİKSEL İŞLEMCİ TASARIMI………………………………………………………....25
5.1. Giriş……………………………………………………………………………………25
5.2. Cpu_Kulis İşlemcisinin Dış Dünya İle Haberleşmesi………………………………..26
5.3. Önyükleme………………………………………………………………………….....26
5.3.1. Programlama modu……………………………………………………………26
5.4. Donanımsal Benzetim…………………………………………………………………27
5.4.1. Giriş…………………………………………………………………………….27
5.4.2. Tasarım yükleme……………………………………………………………….27
5.4.3. Benzetim aşaması………………………………………………………………28
5.4.4. Uygulamayı Spartan-3E kartına yükleme…………………………………….33
5.4.5. Programı karta gömme işlemi………………………………………………….34
3
Şekiller Dizini
Şekil 1.1. Cpu-kulis mikroişlemcisinin en üst seviye şematik görünümü ................................. 7
Şekil 1.2. Komut çekme ana öbek şeması ................................................................................... 8
Şekil 1.3. Kod çözme öbeği şematik görünümü ......................................................................... 9
Şekil 1.4. Yürütme öbeği altında bulunan ALU biriminin RTL şemasının bir bölümü. .......... 10
Şekil 1.5. Geri yazma öbeği RTL şeması ................................................................................. 11
Şekil 1.6. Ardışık düzen hata denetimi öbeğinin RTL şeması ................................................. 13
4
Tablolar Dizini
Tablo 1.1. decode_wire[14:0] sinyalinin kontrol ettiği birimler ve makine kodu karşılıkları .. 9
Tablo 1.2. Hedef ve kaynak bilgilerinin makine kodu karşılıkları .......................................... 11
Tablo 1.3. wb_signals[10:0] sinyalinin kontrol ettiği birimler ve makine kodu karşılıkları .. 11
Tablo 2.1. 32 bitlik işlem kodunun bölümleri ......................................................................... 15
Tablo 2.2. İşlem kodu-işlenen karşılık tablosu ........................................................................ 15
Tablo 2.3. Cpu-Kulis işlemcisinin komut kümesi ve aldığı işlenenleri ................................... 15
5
Önsöz
CPU-KULIS mikroişlemcisi çalışma raporunda mikroişlemcinin genel yapısı, saat
darbelerinde komutların işlendiği ana öbekler, bu öbeklerin şematik gösterimleri üzerinde
durulmuştur.
Komutların makine diline çevrilmesi için tasarlanan derleyicinin tanıtımı yapılmıştır.
İşlemcide kullanılan komutların kaynak ve hedef birimleri gösterilmiştir. Tasarımda bulunan
bazı önemli bağlantıların etkilediği birimler tablo halinde gösterilmiştir. Komutlar, kullanım
alanlarına göre bölümlere ayrılmış ve işlem basamakları ayrıntılı bir biçimde anlatılmıştır.
Mikroişlemci ana kısımları, şematik kullanılarak oluşturulmuştur. Şemaların gösteriminde asıl
amaç; ana öbeklerin teorik anlatımına uygulamalı gösterim ile destek olmaktır. Bu nedenle;
şemalar oluşturulurken şeklin sade ve anlaşılır olması birinci hedeftir. Sıra düzensel olarak bir
seviyeden daha aşağı inilmemeye özen gösterilmiştir. (Şemaların ayrıntılı hali eklenen
dosyalardan “RTL_Semalar” içerisinde bulunmaktadır. Komutların işleyişi hakkında ayrıntılı
uygulama eklenen dosyalar arasında benzetim anlatımı videosu olarak bulunmaktadır.)
6
1. CPU-KULIS MİKROİŞLEMCİSİNİN GENEL YAPISI
Cpu-Kulis, standart mikroişlemci yapıları temel alınarak tasarlanmış “özgün” bir
çalışmadır. Cpu-Kulis mikroişlemcisi, Komut çekme, Kod çözme, yürütme ve geri yazma
isimlerinin verildiği dört ana bloktan oluşmaktadır.
Ana bloklardan kısaca bahsetmek gerekirse;
Komut çekme, ROM’da bulunan komutlara ait işlem kodlarının ROM’dan okunmasını
sağlayan yapıdır. Komut çekme ROM’dan aldığı bu bilgiyi Kod çözme öbeğine iletir. Kod
çözme, Komut çekme öbeğinden aldığı kod bilgisini istenilen işlemin yapılabilmesi için uygun
sinyaller olarak yürütme kısmına iletir. Aynı zamanda herhangi bir geri yazım işlemi için
uygun sinyalleri hedef ve kaynak bilgisi olarak Geri yazma öbeğine iletir. Yürütme, uygun
sinyaller uygulanarak istenilen işlemin yürütülmesini sağlayan işlemcinin en karmaşık
kısmıdır, veri yolu olarak da adlandırılabilir. Geri yazma, Kod çözme öbeğinden aldığı hedef
ve kaynak bilgisine göre; verinin istenilen birime yazılması için gerekli sinyalleri yürütme
bloğu için üretir.
Cpu-Kulis, dört iş hatlı Ardışık Düzen Hata Denetimi (Pipeline Hazard Detect) yapısına sahip
bir işlemcidir. İstisna durumlar hariç her işlem bir saat çevrimi süresinde yapılmaktadır. (Bu
istisnalar bölüm 1.3’ de anlatılmıştır.)
Cpu-Kulis, 30 temel komutun yanı sıra sonradan eklenen PUSH, POP ve RET komutlarını da
yürütme özelliğine sahiptir. Mikroişlemci performansına bir etkisi bulunmayacağı için
CACHE bellek bu aşamada kullanılmamıştır.
Cpu-Kulis mikroişlemcisinde dört adet yazmaç, ROM, RAM, yığın ve alu ana blokları
mevcuttur.
İşlemci tasarımı Xilinx ISE tasrım ortamı kullanılarak verilog donanım tanımlama dili
ile yazılmıştır. Şematik gösterimler için ISE şematik düzenleyicisinden faydalanılmıştır.
Benzetim için MentorGraphics’ in ModelSim yazılımı kullanılmıştır.
7
1.1. Cpu-Kulis Mikroişlemcisi Genel Şematik Gösterimi
Şekil 1.1. Cpu-kulis mikroişlemcisinin en üst seviye şematik görünümü
Şekil 1.1’ de Cpu-kulis mikroişlemcisinin en üst seviye modelinin şematik gösterimi ‘kabaca
eklenmiştir. Yapıdan da anlaşılacağı üzere; birbirine gerekli bağlantılar ile bağlanan dört ana
öbek ve bu öbekler arası eş zamanlamayı sağlayan ardışık düzen yapısı genel hatlarıyla
görülmektedir. Şekilde en sağda görülen büyük öbek veri-yolu öbeğidir ve sistemin en
karmaşık yapısıdır. İlerleyen bölümlerde veri-yolu öbeği ve diğer alt öbeklere kısaca
değinilecektir.
1.2. Cpu-Kulis Mikroişlemcisinin Ana Öbekleri
1.2.1. Komut çekme
Komut çekme, ROM’dan komutlara ait makine kodlarını alır ve değerlendirmesi için kod
çözme öbeğine gönderir.
Komut çekme öbeği dört ana alt öbekten oluşmaktadır.
Program sayıcı yürütülen komutun kaçıncı adreste olduğunu belirtir. Program sayıcı çıkışı
ROM’ a bağlıdır ve belirtilen adresin içerisindeki makine kodu ROM’ dan veri çıkışı olarak
kod çözme öbeğine bağlanır.
8
ROM’ da her biri 16 bit adres verisiyle erişilen bilginin uzunluğu 32 bittir. (ROM, 256 satır
uzunluğunda alınmıştır, 256 satırı adresleyebilmek için 16 bitlik adres girişinin en az anlamlı
8 biti kullanılmaktadır.
Şekil 1.2. Komut çekme ana öbek şeması
Toplam ROM uzunluğu 32bit * 256satır / (8bit/byte) = 1024 byte’ dır ). Aynı zamanda
program sayıcının göstermiş olduğu adres de bir saat çevrimi ile kod çözme öbeğine iletilir.
Bir komutun yürütülmesi işlemi komut çekme öbeğinden başlar. Komut yürütümünde bir saat
çevrimi komut çekme öbeğinde harcanmaktadır.
1.2.2. Kod çözme
Komut çekme çıkışından aldığı adres bilgisi ile ROM’ dan aldığı makine kodu bilgisini
değerlendiren ve hangi komutun yürütüleceğini, hangi birimlerde işlem yapılacağını
belirleyen öbektir. Kod çözme öbeğinin şematik gösterimi Şekil 1.3’ de görülmektedir.
Şekil 1.3’ de kod çözme öbeğinin iki ana kısımdan oluştuğu görülmektedir. Bu iki ana öbek
yanında, komut çekme öbeğinde da bulunan flush yazmacı görülmektedir. Flush yazmacının
işlevi, öbek çıkışındaki verinin geçerli olup olmadığını anlatmaktadır. Eğer komut çekme
öbeği çıkışındaki flush yazmacının değeri mantıksal “1” ise, kod çözme öbeği, komut çekme
çıkışındaki verinin çöp değer olduğunu anlamaktadır. Komut çekme birimi çıkışında 15 bitlik
durum sinyali verisi ile 16 bitlik sabit verisi üretilir. Bu değer komut çekme öbeğinden gelen
ROM verisinin anlamlı iki parçaya bölünmesi ile elde edilir. Durum sinyali verisinin son 6
biti komut bilgisini , daha sonra gelen 4 bit yazmaç bilgisini ardından gelen 4 bit yine yazmaç
9
bilgisini ve ilk bit ise; elde bilgisini verir. Bu bilgiler doğrultusunda yürütme öbeğine,
komutun yürütülebilmesi için uygun sinyaller gönderilir.
Şekil 1.3. Kod çözme öbeği şematik görünümü
Kod çözme işlemini için oluşturulan makine kodu tablosu Tablo 1.1’ de verilmiştir.
Tablo 1.1. decode_wire[14:0] sinyalinin kontrol ettiği birimler ve makine kodu karşılıkları
Decode_statck_ctrl decode_wire[1:0] Halt decode_wire[2] Mux1_selector decode_wire[4:3] Mux2_selector decode_wire[6:5] Mux3_selector decode_wire[7] Alu_opselect decode_wire[11:8] Alu_en decode_wire[12] Decode_Ram_ctrl decode_wire[14:13]
1.2.3. Yürütme
Yürütme öbeği komutların yürütülmesi işleminin gerçekleştirildiği öbek yapı olduğu için Cpu-
Kulis işlemcisinin veri-yolu olarak adlandırılabilir. İçerisinde toplam 16 adet komutun
yürütülebildiği ALU bulunur. Bunu yanı sıra; dört adet yazmaç,11 adet çoğullayıcı, bayrak
sonuçları, içerisinde bulunan diğer önemli birimlerdir.
10
Yürütme öbeği, mikroişlemcide aritmetik ve mantıksal işlemleri gerçekleştiren öbektir. Bu
nedenle; yapı diğer öbeklere oranla hayli karmaşıktır. Yapının içerisinde bulunan ALU
biriminin sentez işlemi sonrasında oluşan birkaç sayfalık RTL şemasından sadece bir
sayfasının görünümü Şekil 1.4’ de görülmektedir. Yapının diğer alt öbeklerinin RTL şemaları
yarışma sayfasına yüklenen dosyalar arasında daha ayrıntılı olarak bulunmaktadır.
Şekil 1.4. Yürütme öbeği altında bulunan ALU biriminin RTL şemasının bir bölümü.
1.2.4 Geri yazma
Geri yazma öbeği bir komutun son saat çevriminin yürütüldüğü yapıdır. Kod çözme
öbeğinden aldığı kaynak ve hedef sinyallerini, geri yazma işleminin yapılabilmesi için
yürütme öbeğine uygun sinyalleri üreten öbektir.
11
Şekil 1.5. Geri yazma öbeği RTL şeması
Şekil 1.5’ e göre; gerekli koşullar sağlandığı taktirde, dörder bitlik hedef ve kaynak verileri
doğrultusunda çıkışa wb_signals adını verdiğimiz kontrol sinyalleri vektörünü bu öbek
içerisinde üretilir.
Tablo 1.2. Hedef ve kaynak bilgilerinin makine kodu karşılıkları
HEDEF KAYNAK 000:AREG 000:AREG 001:BREG 001:BREG 010:CREG 010:CREG 011:DREG 011:DREG 100:ALU 100:ALU 101:STACK 101:STACK 110:RAM 110:RAM
Tablo 1.3. wb_signals[10:0] sinyalinin kontrol ettiği birimler ve makine kodu karşılıkları
Mux7_ctrl wb_signals[0] Mux6_ctrl wb_signals[1] Reg_select wb_signals[4:2] Wb_RAM wb_signals[5] Wb_EN wb_signals[6] Wb_RW wb_signals[7] Wb_stack wb_signals[8] Wb_stack_ctrl(en-rw) wb_signals[10:9]
12
1.3. Ardışık Düzen Hata Denetimi:
Normal koşullar altında bir komut, komut çekme, kod çözme, yürütme, geri yazma olmak
üzere dört saat çevrimi sonucunda işlenmektedir. Bir komut yürütümü bitmeden diğer komut
öbekler arasında ilerleyememektedir. Ardışık düzen yapısı mikroişlemciye her saat
çevriminde bir komutun yürütülmesi olanağını sağlar. Bu sayede; komut yürütme performansı
artar ve mikroişlemcinin performansı büyük oranda iyileştirilmiş olur. Bu nedenle; tasarlanan
mikroişlemcinin “ardışık düzen” yapısı bulundurması kaçınılmazdır. İdealde her saat
çevriminde bir komutun yürütülmesi gerekirken uygulamada bazı komutların ard arda gelmesi
komutun yürütülme süresini artırabilmektedir.
Yapılan benzetim uygulamasında da gözleneceği üzere; bu problem ile ilgili birkaç örnek
verilebilir:
Movi ar, 0x5
Add ar, br
Yukarıdaki örnekte, movi geri yazma işlemine gireceği sırada ardışık düzen özelliği
dolayısıyla, add işleminin de yürütme işlemine girmesi gerekir. Movi komutu ar yazmacının
değerini daha güncelleyememişken, add komutu, işlemini güncellenmemiş değeri kullanarak
yapacaktır ve yanlış sonuç elde edilecektir. Bu problemin çözümü için, movi komutunun geri
yazma işlemini yapması beklenmeli ve add işlemi bundan sonra yürütme öbeğinde işlem
görmelidir.
Başka bir problem aşağıdaki gibi bir kodda meydana gelir.
Push ar
Pop br
Push ve pop komutları yığına veri yazmak ve yığından veri almak için kullanılır. Bu iki
komut ard arda geldiği zaman şöyle bir durum oluşur. Push komutu geri yazma öbeğinde
yığına yazmak için erişir. Pop işlemi bu esnada yürütme öbeğinde işlem görecek ve yığındaki
veriyi çekmeye çalışacaktır. Yığına yazma ve okuma işlemi aynı anda yapılmak
istenmektedir. Bu problem de ilk komutun geri yazma işlemine öncelik verilerek çözülür.
Ardışık düzen hata denetimi öbeği bu şekildeki durumları anlayarak, öbekler için eş
13
zamanlama bilgisi üretip, gerekli durumlarda beklemelerini sağlamaktadır. Şekil 1.6’ da bu
yapının RTL şeması görülmektedir.
Şekil 1.6. Ardışık düzen hata denetimi öbeğinin RTL şeması
14
2. CPU-KULIS DERLEYİCİSİ
2.1. Giriş
Cpu-kulis mikroişlemcisi için tasarlanan ROM’ a benzetim için ilk değerler
$readmemb komutu ile kaydedilmektedir. Bu komutu kullanarak herhangi bir bellek birimini
–ROM veya RAM olabilir- gerek benzetim gerekse sentez aşaması için ilklendirmek
mümkündür. Program belleğine gidecek makine kodlarını elde etmek için ise bu proje
kapsamında Cpu-Kulis derleyicisi tasarlanmıştır. Derleyici çıktı olarak program belleğini
ilklendirmek için kullanılacak olan ikili kodları içeren output.txt isimli basit bir metin dosyası
üretmektedir.
İşlemcinin program belleği 256 satır ve genişliği 4 byte/satır dır. Her yığın verisi 16 bittir.
RAM uzunluğu ise 1024 satırdır, genişliği de 2 byte/satır dır. Dolayısıyla 2KB RAM
mevcuttur. Kullanılan komutların mikroişlemcinin anlayacağı makine komutlarına
dönüştürülmesi işlemini tasarlanan derleyici halleder.
2.2. Derleyici Kullanımı
Bir metin düzenleyici kullanılarak, asm program yazılır. Bu dosya kaydedilir.
Örneğin; kaydedilen dosya “d:\cpu\code.txt” olsun. Derleyicinin, kaynak kodlarını
derledikten sonra oluşan çalıştırılabilir dosya (compiler.exe), herhangi bir dizine kopyalanır,
örneğin c:\compiler.exe. Komut satırından, bu dizine gidilir compiler [asm kodun
bulunduğu dizin adresi] yazılarak derleme işlemi yapılır.
C:\>compiler d:\cpu\code.txt
Aktif dizin compiler.exe dosyasının bulunduğu dizin olmalıdır ve derleme işlemi sonucunda
output.txt dosyası aktif dizinde oluşturulmaktadır. Bu dosya işlemci proje dosyasına
kopyalanarak ROM un ilk değerlerini buradan alması sağlanır.
15
Derleyici bir komut için 32 bitlik işlem kodunun bölümleri Tablo 2.1’ de
görülmektedir. Tablo 2.2 de ise işlenenleri nasıl belirlendiğini gösteren karşılık tablosu
bulunmaktadır.
Tablo 2.1. 32 bitlik işlem kodunun bölümleri
[31:26] Operatör kodu [25:22] 1. İşlenen [21:18] 2. İşlenen [17] 3. İşlenen [15:0] Sabit
Tablo 2.2. İşlem kodu-işlenen karşılık tablosu
1. İşlenen 2. İşlenen 0000 A yazmacı A yazmacı 0001 B yazmacı B yazmacı 0010 C yazmacı C yazmacı 0011 D yazmacı D yazmacı 0100 -> 0111 Kullanılmaz Kullanılmaz1111 Sabit Sabit
2.2.1 Komut kümesinin kullanımı:
Tablo 2.3. Cpu-Kulis işlemcisinin komut kümesi ve aldığı işlenenleri
Komut 1. işlenen 2. işlenen 3.işlenen İşlevi 1 Add Y Y Elde bayrağı İki işlenen toplanır, sonuç 1.
işlenene yazılır 2 Addi Y S Elde bayrağı İki işlenen toplanır, sonuç 1.
işlenene yazılır 3 Sub Y Y Elde bayrağı İki işlenen çıkartılır, sonuç 1.
işlenene yazılır 4 Subi Y S Elde bayrağı İki işlenen çıkartılır , sonuç 1.
işlenene yazılır 5 Mul Y YS ----- İki işlenen çarpılır, sonuç 1.
işlenene yazılır 6 Muli Y YS ----- İki işlenen çarpılır, sonuç 1.
işlenene yazılır 7 Mulu Y YS ----- İki işlenen çarpılır, sonuç 1.
işlenene yazılır 8 Cmp Y YS ----- İki işlenen çıkartılır, sadece
bayraklar etkilenir 9 And Y YS ----- İki işlenen VE lenir, sonuç 1.
işlenene yazılır
16
10 Andi Y S ----- İki işlenen VE lenir, sonuç 1. işlenene yazılır
11 Or Y Y ----- İki işlenen VEYA lanır, sonuç 1.işlenene yazılır
12 Ori Y YS ----- İki işlenen VEYA lanır, sonuç 1.işlenene yazılır
13 Not Y ----- ----- İşlenenin DEĞİL lenir, geri yazılır 14 Xor Y Y ----- İki işlenen XOR lanır. Sonuç 1.
işlenene yazılır 15 Xori Y S ----- İki işlenen XOR lanır. Sonuç 1.
işlenene yazılır 16 Sll Y YS ----- 1. işlenen, 2.işlenen değeri kadar
sola kaydırılır. Besleme sıfır ile yapılır.
17 Srl Y YS ----- 1. işlenen, 2.işlenen değeri kadar sağa kaydırılır. Besleme sıfır ile yapılır.
18 Sla Y YS ----- 1. işlenen, 2.işlenen değeri kadar sola kaydırılır. Besleme sıfır ile yapılır.
19 Sra Y YS ----- 1. işlenen, 2.işlenen değeri kadar sağa kaydırılır. Besleme işaret biti ile yapılır.
20 Lw Y YS ----- 2.işlenen ile gösterilen adresteki veri, 1. işlenene yazılır.
21 Sw Y YS ----- 2. işlenendeki veri, 1.işlenen ile gösterilen adrese yazılır.
22 Mov Y Y ----- 2. işlenen değeri, 1. işlenene yazılır 23 Movi Y S ----- 2. işlenen değeri, 1. işlenene yazılır 24 Beq YS ----- ----- En son yapılan aritmetik işlem
sonucu sıfırsa (sıfır bayrağı = ‘1’) 1. işlenenin gösterdiği adrese dallan
25 Bne YS ----- ----- En son yapılan aritmetik işlem sonucu sıfır değilse (sıfır bayrağı = ‘0’) 1. işlenenin gösterdiği adrese dallan
26 Ba YS ----- ----- 1. İşlenenin gösterdiği adrese koşulsuz dallan
27 Bl YS ----- ----- 1. işlenenin gösterdiği adrese koşulsuz dallan, geri dönüş adresini yığına at.
28 Nop ----- ----- ----- İşlem yapma 29 Hlt ----- ----- ----- Dur 30 Syscall YS ----- ----- İşlenen değeriyle RAM’ i adresle,
RAM’ deki veriye dallan. 31 Push Y ----- ----- İşlenen değerini yığına yaz. 32 Pop Y ----- ----- yığından veri al ve işlenene yaz. 33 Ret ----- ----- ----- Yığından geri dönüş adresini al ve
dallan
17
Tablo 2.3’ de Y ile yazmaç, S ile sabit, YS ile de yazmaç ve sabit kullanan işlemler
gösterilmiştir.
Dört adet yazmaç kullanılabilmektedir: ar, br, cr, dr.
2.2.2 Sembolik sabit tanımlama:
#define <YAZI1> [YAZI2]
Kod içerisinde kullanılan YAZI1 atomu YAZI2 ile değişecektir.
Örnek;
#define CPU_KULIS 1
Addi ar, CPU_KULIS
ifadesi
Addi ar, 1
ifadesi ile aynı anlama gelir.
2.2.3- Etiket tanımlama:
Cpu-Kulis mikroişlemci derleyicisi etiket alabilme özelliğine de sahiptir.
<ETİKET İSMİ> <:>
İşlenenler sırasıyla girildiğinde işlemci sol tarafta girilen ismi “etiket” olarak algılayacaktır.
2.2.4- Başlama noktası tanımlama:
org <sabit>
Bu ifadeden sonra yazılacak kodlar ‘sabit’ adres değerinden itibaren ROM’a
yerleştirilecektir.Kod yazımına başlanırken, org komutu ile aksi belirtilmedikçe, ROM a sıfır
adresinden itibaren kodlar yerleştirilmeye başlanacaktır.
NOT: Açısal parantezler (< >) içerisine yazılan ifadeler kullanımı zorunlu olan ifadelerdir.
Köşeli parantezler ([ ]) içerisine yazılan ifadelerde böyle bir zorunluluk yoktur.
18
3. KOMUTLARIN İŞLEM BASAMAKLARI
Bu bölümde komutların işlem basamakları üzerinde durulacaktır. Bir komut “komut çekme”
öbeğinden “geri yazma” öbeğine kadar hangi birimlerden geçmektedir, hangi komut için
hangi birimler kullanılmaktadır sorularına yanıt verilecektir.
Komutlar aritmetik, mantık ve dallanma komutları olarak 3 bölüme ayrılabilir.
1. Aritmetik Komutlar: add, addi, sub, subi, mul, muli, mulu
2. Mantık Komutları: cmp, and, andi, or, ori, not, xor, xori , sll, srl, sla, sra
3. Dallanma Komutları: beq, bne, ba , bl
Aynı zamanda RAM’ den veri okuma ve RAM’ ye veri yazma komutlarının (sw, lw) ; sistem
durdurma komutunun (hlt), yığından veri çekme, yığına veri yazma komutlarının (push, pop)
ve kesme komutu olan (syscall) komutunun işlem basamakları da anlatılacaktır.
Tüm komutlar için, komut çekme ve kod çözme bölümlerinde yapılan işlemler ortaktır. Komut
çekme öbeğinde işlem kodu ROM dan okunur, Kod çözme bölümünde ise Yürütme öbeği için
uygun sinyallere dönüşüm gerçekleşir.
Aritmetik ve mantıksal işlemler için yürütme öbeğinde gerçekleşen işlemler şunlardır:
Kod çözme bölümünden gelen sinyaller sayesinde, ALU için uygun işlemin seçimi
yapılır. Bir saat darbesi süresinde işlem sonucu ALU’ nun çıkışında görülür. Elde
bayrağı elde bitinin işleme dahil edilip edilmeyeceğini belirtir. Elde biti kullanılmak
isteniyorsa elde bayrağı ‘1’ olmalıdır, istenmiyorsa ‘0’ olmalıdır. Eğer elde bayrağı
değeri kullanılmazsa bu değer ‘0’olarak kabul edilmektedir.
Dallanma komutları için yürütme öbeğinde gerçekleşen işlemler şunlardır:
Eğer ;dallanma işlemi gerçekleştirilecekse, geri dönüş adresi yığına atılır ve yürütme
öbeği çıkışında, dallanılacak adres verisi ve dallanma işleminin yapılmasını belirten
bir bayrak verisi görülür.
19
Bellek komutları için yürütme öbeğinde gerçekleşen işlemler şunlardır:
LW komutu için, 2. işlenen değeri ile RAM adreslenir ve o adresteki bilgi RAM
çıkışında elde edilir. SW komutu için gerekli 2. işlenenin çoğullayıcılarla ALU girişine
getirilmesi sağlanır. ALU bu değeri değiştirmeden çıkışına verir.
Yığın komutları için yürütme öbeğinde gerçekleşen işlemler şunlardır:
Pop komutunda, yığındaki veri çekilir, veri yığın çıkışında görülür. Push komutu için,
komut işleneninin çoğullayıcılarla ALU girişine getirilmesi sağlanır. ALU bu değeri
değiştirmeden çıkışa verir.
SYSCALL komutu için Yürütme öbeğinde gerçekleşen işlemler şunlardır:
İşlenen değeri ile RAM adreslenir, aynı anda geri dönüş adresi yığına atılır.
Tüm komutlar için, kod çözme öbeği çıkışında, geri yazma öbeği için Tablo 1.2 de görülen
hedef ve kaynak verileri üretilir. Bu verilere göre geri yazma öbeği yürütme bölümünde
hesaplanan sonucun istenilen hedefe yazılması için gerekli sinyalleri üretir.
HALT Komutu:
Halt komutu geldiği zaman kod çözme öbeğinin çıkışında bu bildirilir. Bu bilgiye
göre; işlemlerin yürütülmesine devam edilir. Eğer; halt komutu gelmiş ise; en son
işlenen komutun geri yazma işlemine izin verildikten sonra başka işlem yapılmaz.
Reset işlemi ile işlemci yeniden başlatılabilir.
1. BENZETİM SONUÇLARI
4.1. Giriş
Bu bölümde mikroişlemcinin çalışması birkaç örnek kodla açıklanacaktır. Açıklamada
Modelsim benzetim uygulamalarına yer verilecektir. Yazılan kodların makine dili karşılığı
tasarlanan derleyici tarafından dönüştürülecektir.
20
4.2.Örnek Kodun Derlenme Aşaması
Derleyici klasörünün içerisinde bulunan test.txt adlı dosya içerisine uygulanması istenen kod
yazılır. Sentez aşamasında test.text dosyasının içerisinde bulunan program sabit belleğin
içerisine bir kere gömülür. İşlemci her reset aldığında çalışmaya bu programdan başlar.
Şekil 4.1 Benzetim için test.txt dosyasında oluşturulan örnek kod.
Yukarıda örnek bir kod görülmektedir. Bu kod derleyici klasörü içerisinde bulunan test.txt
dosyasına yazılıp derlenir. Derleme sonrası aynı klasör içerisinde output.txt dosyası derleyici
tarafından oluşturulur.Bu dosya yazılan kodların makine komutlarının bulunduğu dosyadır.
Aşağıda bu klasörün içeriği görülmektedir.
21
Şekil 4.2. İşlemci için tasarlanan derleyicisi klasörünün içeriği
Derleme sonucunda oluşan output.txt dosyası kullanıcı tarafından ise proje klasörünün
içerisine atılır.Bu sayede Rom yapılması gereken işlem için gerekli makine kodu bilgilerini
edinmiş olur.
Output.txt klasöründe aşağıdaki gibi 255 satır makine kodu oluşur.Derlenen kod
grubunun makine kodu karşılıkları, geriye kalan satırlar için de nop komutunun makine kodu
karşılığı derleyici tarafından oluşturulur.
Şekil 4.3. Derleme sonrası oluşan output.txt dosyasının örnek gösterimi
Derleyici output.txt klasörü dışında simulate.txt adında bir klasör daha oluşturur.Bu
dosya her satır sonrası yapılan işleme karşılık yazmaçların,bayrakların ve portların aldığı
değerleri göstermektedir.
Yukarıdaki örnek kod dizini için oluşan simulate.txt dosyası aşağıda gösterilmiştir.
22
Simulate.txt dosyası toplam dört sayfadan oluşmaktadır.Bu dosya içeriği yazılan
kodun doğru biçimde derlenip derlenmediğinin ispatıdır.
Şekil 4.3. Derleme sonrası oluşan simulate.txt (öykünücü) dosyasının bir kısmının
örnek gösterimi
4.3.Benzetim
Proje içerisine makine kodunu içeren gerekli dosya eklendikten sonra mikroişlemci
üzerinde örnek kodun benzetimi yapılabilir.
İlk olarak ise editörü açılır ve cpu_kulis projesi seçilir. Seçilen projenin en üst model
tasarımı belirtilir. cpu_kulis mikroişlemcisinin en üst seviye modülü CPU(CPU.v)
klasörüdür.
23
Şekil 4.4. ISE editöründe benzetim oluşturmak için yapılan ilk işlemler
Ardından Processes öbeğinde bulunan Synyhesize-XST alt öbeği çift tıklanarak
tasarımın sentezi yapılır.
24
Şekil 4.5. Tasarımın sentez aşaması gösterimi
Sentez sonucu hata oluşmamışsa tasarımın benzetimine geçilebilir.
İlk olarak Sources öbeğinde seçili bulunan Synthesis/ Implementation alt öbeği yerine
Behavioral Simulation alt öbeği seçilir.
Şekil 4.6. Sentez ve benzetim aşaması geçiş öbekleri
Processes öbeğinde bulunan Create New Sources alt öbeği seçilir.
25
Şekil 4.7. Benzetim için gerekli testbench dosyası yaratma aşaması
Şekil 4.8. Kullanılacak yeni kaynakların oluşturulduğu Create New Source klasörü
Açılan klasörden Test Bench Wave Form kaynağı seçilir ve kaynağa File Name
kısmında yeni bir isim verilir. Yapılan işlemlerin ardından iki kere Next, tuşuna bir kere de
Finish tuşuna tıklanır.
Bu işlemler sonucunda kullanıcının karşısına Initial Timing and Clock Wizard dosyası
açılır.Bu dosyada benzetimin zaman özellikleri belirlenir ve ardından Finish tuşu tıklanarak
yeni testbench oluşturulması sonlandırılır.
Kullanıcının karşısına en üst seviye modelde görülen olduğu giriş ve çıkış bağlantıları
26
gelecektir.
Şekil 4.9. Ise editörünü benzetim aracı gösterimi
Ancak; karşımıza gelen benzetim Ise editörünün kendi benzetimidir.Modelsim
benzetimin aracının seçilebilmesi için Processes öbeğinde bulunan Modelsim Simulator alt
katı Simulate Behavioral Model çift tıklanarak Modelsim benzetim penceresi açılır.
Açılan sayfada ilk olarak yapılacak iş Objects/Name penceresinde bulunan bağlantı ya
da giriş-çıkışların seçilerek silinmesi olacaktır.
Şekil 4.10. Objects/ Name penceresinin ilk hali.
Ardından benzetim sonuçlarının görülmesi istenen bağlantılar sol tarafta bulunan
Workspace/Instance penceresinin altında bulunan UUT alt klasörü olan cpu_general_top
seçilerek belirlenir. Objects/ Name penceresinde görülen bağlantılardan cpu_path_top
klasöründen alu_outputwire , registers_datapath klasöründen A, B , C ,D_regout
,inst_Fetchcpu klasöründen programme_counter,son olarak ta en üst modelden reset ve clk
seçimi bu uygulama için yeterli olacaktır.
27
Seçilen bağlantı sağ tıklanır ve Add to Wave/ Selected Signals seçilerek görülmesi istenen
bağlantılar da belirlenmiş olur. Wave klasörü benzetimin yapılacağı klasördür.
Wave klasöründe bulunan run-all tuşu ile benzetim başlar ve break tuşu ile sonlandırılır.
Şekil 4.11. Run-all tuşu
Şekil 4.12. Break tuşu
4.4. Benzetim Sonuçları ve Değerlendirilmesi
Şekil 4.13. Benzetim sonuçlarının ilk kısmı
28
Reset sinyali düşük seviyeye çekilmeden önce aktiftir.Bu nedenle; mikroişlemci hiçbir
uygulamada bulunmaz.Reset inaktif duruma geçtiği anda program sayıcı birer birer artmaya
başlar.
Örnek kodun ilk beş satırına bakacak olursak;
İlk olarak A yazmacına 05H yazma işlemi dördüncü saat darbesinde (geri yazma)
gerçekleştiriliyor. Ardından B yazmacına 32H ve C yazmacına 0AH yazılıyor. C yazmacından
bir çıkartılıp döngüye giriyor.
Diğer beş komutta C yazmacından bir çıkartılıp 00H ile karşılaştırma işlemi yapılıyor. Sonuç
0 ise; program SON adlı etikete dallanıyor. Sonuç sıfır değil ise; A yazmacına 04H eklenip
döngü C yazmacı sıfır olana kadar tekrarlanıyor.
29
Yukarıdaki şekil C yazmacının sıfırlanıp döngüden çıktıktan sonra alınan benzetim
sonuçlarını göstermektedir.
C yazmacı sıfırlandıktan sonra program SON adlı etikete dallanmıştır. Bu etikette A
yazmacına 32H atanır ve program bl komutu ile BEKLE etiketine dallanır.Bekle etiketinde C
yazmacının değeri yığına atılır C yazmacına 0aH atanır ve yazmaçtan bir çıkartılır.Sıfır ile
karşılaştırılır.Sonuç sıfır değilse; yazmacın değeri sıfır olana kadar bir çıkartma işlemi devam
eder.C yazmacı sıfır değerini aldığında pop cr komutu ile yığından C yazmacının ilk değeri
alınır program BEKLE alt programından çıkar ve hlt komutu ile işlem program bitirilir.C
yazmacının alt programa dallanmadan önceki değeri sıfır olduğu için pop işlemi sonucunda
yazmaç değeri sıfır olarak kalmıştır.
Şekil 4.10. Bekle alt programının çalışması ve alt programın bitişi ile programın sonlanması
5.FİZİKSEL İŞLEMCİ TASARIMI
5.1. Giriş
Bu bölümde sanal olarak tasarlanmış ve benzetimleri gösterilmiş işlemcinin fiziksel tasarım
bölümü anlatılacaktır. Sanal işlemciden fiziksel işlemciye geçişte hangi öbekler eklendiğinden
bahsedilecektir.
30
5.2. Cpu_Kulis İşlemcisinin Dış Dünya İle Haberleşmesi
İşlemci iki adet 16 bitlik port ile dış dünya ile haberleşebilmektedir. Port A giriş, Port B çıkış
olarak koşullanmıştır. Bu sayede mikroişlemcinin en üst seviye modeli port koşullamaları
değişmiştir.
Şekil 5.1. Cpu_Kulis mikroişlemcisinin en üst seviye model gösterimi
Görüldüğü üzere kullanıcının mikroişlemcide görebileceği 4 pin bulunmaktadır. Saat
darbesini üretecek olan clk sinyali, istediği zaman işlemcinin çalışmasını sıfırlayabileceği
reset sinyali ile giriş ve çıkış portlarıdır. İşlemci, derleyici kısmında anlatıldığı şekilde
yazacağı kod ile dış dünya ile haberleşebilir.
5.2. Önyükleme
İşlemciye, yeni olarak önyükleme modülü eklenmiştir. Önyükleme modülü, içerisinde sabit bir
programın olduğu bir bellektir. İşlemci her reset işlemiyle, çalışmaya önyükleme modülünden
başlar ve bu modülde bulunan kodlar işlem görür. Bu modülün ana görevi, işlemcinin
programlanabilmesi için bir arayüz oluşturmaktır. Bu modül iki modu desteklemektedir.
Bunlardan biri programlama modu, diğeri ise normal çalışma modu dur. Önyükleme
programı hangi modda çalışacağının kararını, portlarına bağlı bir anahtarın konumuna bakarak
karar verir. Normal çalışma modu seçilmişse önyükleme modülü işlemini sonlandırarak, akışı
ana programın olduğu ROM ‘a bırakır ve burada sıfırıncı adresten itibaren komutları işlemeye
başlar. Programlama Modu, işlemciye program yüklenmesini sağlayan çalışma modudur.
31
5.2.1. Programlama modu
Önyükleme modülü nün çalışma modundan biri olan programlama modu sayesinde, RS232
seri haberleşmesi ile işlemciye program yüklenebilmektedir. Programlama modunda
çalışırken işlemci seri bilginin gönderilmesini bekler. Bilgi, 9600 baud, 1 dur biti, eşlik biti
yok, özelliklerine sahip bir iletimle, işlemciye gönderilir. Bu gönderilen bilgi, işlemcide
çalışması istenen kodların derleme sonucu oluşturulmuş işlem kodlarıdır. Gelen bu işlem
kodları, kullanıcı programı işlem kodlarının bulunduğu ROM yapısına kaydedilmeye başlanır.
Bu kayıt işlemi SW, komutu ile yapılabilmektedir. İşlemci programlama modunda çalışırken
kullanılacak olan sw komutu, RAM’e değil işlem kodlarının bulunduğu ROM’a veri
yazmaktadır. Programlama modunda, RAM ve ROM yerdeğişmişlik etkisi yaratır. Bu işlem,
programlama modundayken ROM u güncellemeyi kolaylaştırır. Gönderme işlemi bittikten
sonra önyükleme modülü akışı ROM’a bırakarak, yüklenen programın çalışması sağlanmış
olur. Önyükleme modülü yükleme işini bitirdiğinde ve akış ROM’a bırakıldığında, SW komutu
yine eskisi gibi RAM üzerinde etkili olmaktadır.
Seri alım ve gönderim işlemleri, işlemci tarafından tamamen yazılımsal olarak,
önyükleme modülü tarafından yapılmaktadır. Bu iletişim için özel bir donanım
tasarlanmamıştır.
5.3. Donanımsal Benzetim
5.3.1. Giriş
Bu kısımda işlemcinin donanımsal benzetimi yapılacaktır. Donanımsal benzetimin anlamı,
uygulamada gelen tüm olumsuzlukların bilgisayar ortamında görülmesidir. Bu sayede;
Spartan 3E ile uygulama yapmadan önce gelebilecek hatalar bilgisayar ortamında görülüp bu
problemlere gerekli önlemler alınabilmektedir.
Örneğin; normal benzetimde görülmeyen bir kısım gecikmeler sanki fpga üzerinde işlem
yapılıyormuşçasına görülmektedir.
5.3.2 Tasarım Yükleme
32
Benzetime başlamak için editörde tasarımı uygulama olarak sentezlemek gerekir. Bu bölümde
Sources öbeğinden Synthesis/Implementation bölümü seçilir. Processes öbeğinden Implement
Design alt klasörü sağ tıklanır Rerun-all seçilir ve uygulama başlatılır.
5.3.3 Benzetim aşaması
Fiziksel işlemci tasarımı bölümü kara şimşek uygulaması ile anlatılacaktır. Bu nedenle ilk
olarak kara şimşek uygulamasının donanımsal benzetimi yapılacaktır. İlk olarak tasarım
kodları kullanılarak yazılan kara şimşek uygulaması test.txt dosyasına yazılıp derleyicide
derlenir.
33
Derleme işleminin ardından kod dizininin output.txt dosyasında makine kodu karşılıkları
oluşturulur. Output.txt dosyası da proje klasörünün içerisine kopyalanır.
Xilinx-Ise editörünün sol üst kısmında bulunan Sources öbeğinde Post-Route Simulation
öbeği seçilir.
Şekil 5.2. Donanımsal benzetim için gerekli kaynak seçimi gösterimi
34
Aynı sanal benzetim aşamasında olduğu gibi yeni bir (deney düzeneği) testbench klasörü
oluşturulur.
Şekil 5.3. Donanımsal benzetim (deney düzeneği)tesbench formu oluşturma gösterimi
Sanal benzetimde uygulanan ilerlemeler ardında karşımıza aşağıdaki pencere çıkar.
Şekil 5.4. (Deney düzeneği)Testbench oluşumu sonrası açılan pencere gösterimi
Modelsim benzetimi için Processes öbeğinden Simulate Post Place & Route öbeği seçilir ve
çift tıklanır.
35
Şekil 5.5. Modelsim benzetim editörüne geçiş uygulaması
Sanal benzetimle paralel olarak Modelsim benzetim penceresi açılır. Bu pencereden clk, reset,
PortA ve PortB sinyalleri en üst modelden seçilir.
Wave penceresi genişletilir ve aşağıdaki pencere karşımıza çıkar.
Değerlerin heksadesimal görülebilmesi için; istenen sinyale sağ tıklanır ve aşağıdaki işlem
uygulanır.
36
Şekil 5.6. Sinyal değerlerini istenilen formata dönüştürme işlemi
Ardından benzetim başlatılıp belli bir süre sonra durdurulur.
Şekil 5.7. Benzetimi başlatma (kırmızı elips) ve durdurma (mavi elips) işlemi
Unutulmaması gereken önemli bir nokta; donanımsal benzetim sanal benzetime göre çok daha
uzun bir sürede gerçekleşir. Bu nedenle; benzetimi kısa bir sürede durdurmak istediğimiz
uzunlukta koşmayan bir benzetime sahip olmaya yol açar.
Şekil 5.8. Benzetim sonucunun bir kısmı
Görüldüğü gibi benzetim sonuçlarında çıkış olarak koşullanmış PortB 2 nin katları şeklinde
artmaktadır.Bu sayede ; kara şimşek yapısının ilk kısmı ortaya çıkar.
37
Şekil 5.9. Benzetim sonucunun bir kısmı
Şekil 5.10. Benzetim sonucunun tamamı
NOT: En altta bulunan sinyal PortB yi belirtmektedir.
5.3.4. Uygulamayı Spartan-3E kartına yükleme
Donanımsal benzetim sonucunu istenilen şekilde gördükten sonra geriye uygulamayı karta
yükleme işlemi kalmaktadır.
5.3.4.1. Pin ataması
38
Şekil 5.11 Giriş-çıkış sinyallerinin atanma aşaması
Kart üzerine işlemcinin giriş ve çıkışlarının atanması gerekmektedir.(ug230.pdf) Spartan 3E
kullanım kılavuzundan istenilen atamlar için gerekli pinler seçilir. assign packadge pins
seçildikten sonra karşımıza aşağıdaki pencere çıkar.
Şekil 5.12. Sinyal atama penceresi
39
Sinyaller kart içerisinde hangi birime atanacaksa o birimin lokasyonu Loc bölümüne yazılır.
Örnek verecek olursak; 50 Mhz lik saat darbesi lokasyonu C9 dur.
Bunu yanı sıra; PortA giriş koşullandığı için butonların( toplam 6 adet) tamamı ve
anahtarların(toplam 4 adet) üç tanesi PortA ya atanmıştır. Butonlardan buton_center reset
sinyali olarak, anahtarlardan switch-3 programlama modu anahtarı olarak atanmıştır. Tüm
ledler PortB de atanmış olarak bulunur.
5.3.5. Programı Karta Gömme İşlemi
Kart her açıldığında içerisinde sabit önyükleme programı bulunur. Test.txt dosyasına yazılan
kod derlenir ve UART ile bilgisayardan karta gönderilir.
Bu işlem için Xilinx Ise editörünün Processes öbeğinde bulunan Generate Programming File
öbeğinin altındaki Configure Device Impact çift tıklanır.Açılacak pencere aşağıdaki gibidir.
Pencerede üç adet işlemci görülmektedir.Proje klasörünün görüldüğü cpu.bit seçilir ve open
tuşlanır.Ardından gelen iki işlemci sorusuna Bypass yanıtı verilir ve aşağıdaki pencere
karşımıza çıkar.
40
İşlemci üzerine sağ tıklanır ve program seçilerek programlama gerçekleştirilir.Program karta
yüklenmektedir.
Son olarak programın başarı ile yüklendiği bilgisi gelir.Artık işlemcimiz fiziksel olarak
sentezlenmiş durumdadır.
Bu durumda işlemci her reset sinyali ile önyükleme modundan itibaren çalışmaya başlar.
İşlemciye, program yüklemek için şu işlemler yapılır:
41
- Gönderilmek istenen program derleyici ile derlenir.
- Derleyici derleme işlemi bitikten sonra kullanıcıya, kodu göndermek isteyip
istemediğini sorar.
- Kodu göndermeden önce işlemcinin programlama moduna alınması gerekir. ( Bu
işlem, çalışma modu anahtarının konumunu programlama konumuna getirerek
yapılır. ) Ve reset sinyali uygulanmalıdır.
- Derleyiciye kodu göndermek için onay verilir.
- Gönderme işlemi başlar
- Gönderme işlemi bittiken sonra gönderilen program çalışmaya başlar.
Kara şimşek uygulamasını bu şekilde çalıştırmak için önce kod derlenir. Derleme işlemi
başarıyla sonuçlandığında derleyici bizi gönderme isteğimizi sorar.
Gönderme işlemini onayladığımızda işlemciye kodlar gonderilmeye başlanir.
42
Şekil 5.13. Spartan 3E kartı led uygulamaları esnasında…
NOT: Kara şimşek uygulaması ile beraber bir uygulama daha video olarak eklenmiştir.
43
44
Şekil 5.14. Kara şimşek uygulaması basamak gösterimi