mirror of
https://github.com/MPSU/APS.git
synced 2025-09-15 09:10:10 +00:00
Убраны все "Рисунки ниже"
This commit is contained in:
Andrei Solodovnikov
@@ -138,7 +138,7 @@ endmodule
|
||||
|
||||
В SystemVerilog **вектором** называют группу проводов или регистров, объединенных общим именем, которая может использоваться как для передачи многоразрядных чисел, так и нескольких сигналов, выполняющих общую задачу.
|
||||
|
||||
Синтаксис объявления вектора представлен ниже:
|
||||
Синтаксис объявления вектора:
|
||||
|
||||
<pre>
|
||||
<тип> [<старший индекс>:<младший индекс>] <i>имя_вектора</i>
|
||||
|
||||
@@ -223,6 +223,6 @@ assign one_bit_result = bus1024[select];
|
||||
|
||||
## Проверь себя
|
||||
|
||||
Как, по-вашему, описать на языке SystemVerilog схему, приведённую ниже?
|
||||
Как описать на языке SystemVerilog следующую схему?
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -71,7 +71,7 @@ _Рисунок 4. Обозначение логического вентиля
|
||||
|
||||
Логические вентили строятся из **транзисторов**. **Транзистор** — это элемент, который может пропускать/блокировать ток в зависимости от поданного напряжения на его управляющий вход.
|
||||
|
||||
На приведенном ниже рисунке показан способ построения логического вентиля **И** на базе двух транзисторов. Подача значения `1` на вход **А** или **B** "открывает" соответствующий транзистор. Если оба транзистора открыты, на выход идет **напряжение питания** (`1` в контексте **цифровых значений**). В случае, если хотя бы на одном входе **А** или **B** будет значение `0`, соответствующий транзистор будет закрыт (можно считать, что он превратится в разрыв цепи). В этом случае выход будет подключен к **земле** (`0` в контексте цифровых значений). Как вы видите, напряжение на выход подается от **источников постоянного питания** или **земли**, а не от входов вентиля, именно этим и обеспечивается постоянное обновление напряжения и устойчивость **цифровых схем** к помехам.
|
||||
На _рис. 5_ показан способ построения логического вентиля **И** на базе двух транзисторов. Подача значения `1` на вход **А** или **B** "открывает" соответствующий транзистор. Если оба транзистора открыты, на выход идет **напряжение питания** (`1` в контексте **цифровых значений**). В случае, если хотя бы на одном входе **А** или **B** будет значение `0`, соответствующий транзистор будет закрыт (можно считать, что он превратится в разрыв цепи). В этом случае выход будет подключен к **земле** (`0` в контексте цифровых значений). Как вы видите, напряжение на выход подается от **источников постоянного питания** или **земли**, а не от входов вентиля, именно этим и обеспечивается постоянное обновление напряжения и устойчивость **цифровых схем** к помехам.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -179,7 +179,7 @@ _Рисунок 13. Реализация полного однобитного
|
||||
Вторым важным элементом является **логический блок** (обычно состоящих из **логических ячеек**, но для простоты мы отождествим эти два термина).
|
||||
|
||||
Логический блок содержит одну или несколько **LUT**, **арифметический блок**, и один или несколько **D-триггеров**, которые соединены между собой некоторым количеством мультиплексоров.
|
||||
Ниже представлена схема того, как может выглядеть **логический блок**:
|
||||
На _рис. 14_ представлена схема того, как может выглядеть **логический блок**:
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -1,6 +1,6 @@
|
||||
# Что такое язык описания аппаратуры (HDL)
|
||||
|
||||
На заре появления цифровой электроники, цифровые схемы в виде диаграммы на бумаге были маленькими, а их реализация в виде физической аппаратуры — большой. В процессе развития электроники (и её преобразования в микроэлектронику) цифровые схемы на бумаге становились всё больше, а относительный размер их реализации в виде физических микросхем — всё меньше. На рисунке ниже, вы можете увидеть диаграмму цифровой схемы устройства intel 4004, выпущенного в 1971 году.
|
||||
На заре появления цифровой электроники, цифровые схемы в виде диаграммы на бумаге были маленькими, а их реализация в виде физической аппаратуры — большой. В процессе развития электроники (и её преобразования в микроэлектронику) цифровые схемы на бумаге становились всё больше, а относительный размер их реализации в виде физических микросхем — всё меньше. На _рис. 1_, вы можете увидеть диаграмму цифровой схемы устройства intel 4004, выпущенного в 1971 году.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -275,10 +275,12 @@ _Таблица 2. Список операций сравнения._
|
||||
|
||||
В этом примере некоторому сигналу `Result` присваивают результат сдвига знакового числа `A` на значение количества бит получаемых из младших 5 бит сигнала `B`.
|
||||
|
||||
Так как используются не все возможные комбинации управляющего сигнала АЛУ, то **при описании через `case` не забывайте использовать `default`**. Если описать АЛУ как задумано, то получится что-то похожее на картинку ниже. Но не обязательно, зависит от вашего описания.
|
||||
Так как используются не все возможные комбинации управляющего сигнала АЛУ, то **при описании через `case` не забывайте использовать `default`**. Если описать АЛУ как задумано, то получится что-то похожее на _рис. 4_. Но не обязательно, зависит от вашего описания.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 4. Пример схемы, реализующей АЛУ._
|
||||
|
||||
### Порядок выполнения задания
|
||||
|
||||
1. Добавьте в проект файл [`alu_opcodes_pkg.sv`](alu_opcodes_pkg.sv). Этот файл содержит объявление пакета `alu_opcodes_pkg`, в котором прописаны все опкоды АЛУ.
|
||||
|
||||
@@ -203,7 +203,7 @@ _Таблица 4.Кодирование условного перехода._
|
||||
|
||||
Предположим, мы хотим переместиться на две инструкции вперед. Это означает, что программный счетчик должен будет увеличиться на 8 ([2 инструкции] * [4 байта — размер одной инструкции в памяти]). Умножение на 4 константы смещения произойдет путем добавления к ней двух нулей справа, поэтому в поле `offset` мы просто записываем число инструкций, на которые мы переместим программный счетчик (на две): `0b00000010`.
|
||||
|
||||
Приведенный ниже Си-подобный псевдокод (далее мы назовем его псевдоассемблером) демонстрирует кодирование инструкций с новым полем `B`:
|
||||
Данный Си-подобный псевдокод (далее мы назовем его псевдоассемблером) демонстрирует кодирование инструкций с новым полем `B`:
|
||||
|
||||
``` C
|
||||
if (reg_file[RA1] {alu_op} reg_file[RA2])
|
||||
|
||||
@@ -178,7 +178,7 @@ _Таблица 5. Описание портов основного дешифр
|
||||
- если значение `opcode` не совпадает ни с одним из известных и следовательно операция не определена.
|
||||
- если это инструкция `ECALL` / `EBREAK`.
|
||||
|
||||
При реализации декодера его удобнее описывать разбив все инструкции на однотипные группы, как это сделано ниже. Представленные в _Таблице 6_ коды операций 5-битные потому, что 2 младших бита полноценного 7-битного кода операции должны всегда быть равны `11`. Если это не так, то вся инструкция уже запрещенная и не нуждается в дальнейшем декодировании.
|
||||
При реализации декодера его удобнее описывать разбив все инструкции на однотипные группы, как это сделано в _Таблице 6_. Представленные в ней коды операций 5-битные потому, что 2 младших бита полноценного 7-битного кода операции должны всегда быть равны `11`. Если это не так, то вся инструкция уже запрещенная и не нуждается в дальнейшем декодировании.
|
||||
|
||||
|Операция|Opcode| Описание операции | Краткая запись |
|
||||
|--------|------|-------------------------------------------------------------------------------------------------------|------------------------------------|
|
||||
|
||||
@@ -48,7 +48,7 @@
|
||||
|
||||
В таком случае, если мы захотим обратиться к первому байту семисегментных индикаторов, мы должны будем использовать адрес `0x04000001`. Старшие 8 бит (`0x04`) определяют выбранное периферийное устройство, оставшиеся 24 бита определяют конкретный адрес в адресном пространстве этого устройства.
|
||||
|
||||
На рисунке ниже представлен способ подключения процессора к памяти инструкций и данных, а также 255 периферийным устройствам.
|
||||
На _рис. 1_ представлен способ подключения процессора к памяти инструкций и данных, а также 255 периферийным устройствам.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -127,7 +127,7 @@ sys_clk_rst_gen divider(.ex_clk_i(clk_i),.ex_areset_n_i(resetn_i),.div_i(5),.sys
|
||||
|
||||
## Задание
|
||||
|
||||
В рамках данной лабораторной работы необходимо реализовать модули-контроллеры двух периферийных устройств, реализующих управление в соответствии с приведенной ниже картой памяти и встроить их в процессорную систему, используя [_рис. 1_](../../.pic/Labs/lab_13_periph/fig_01.drawio.svg). На карте приведено шесть периферийных устройств, вам необходимо взять только два из них. Какие именно — сообщит преподаватель.
|
||||
В рамках данной лабораторной работы необходимо реализовать модули-контроллеры двух периферийных устройств, реализующих управление в соответствии с приведенной на _рис. 2_ картой памяти и встроить их в процессорную систему, используя [_рис. 1_](../../.pic/Labs/lab_13_periph/fig_01.drawio.svg). На карте приведено шесть периферийных устройств, вам необходимо взять только два из них. Какие именно — сообщит преподаватель.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -651,7 +651,7 @@ _Рисунок 4. Карта памяти vga-модуля._
|
||||
* нулевой символ первой строки — `0x0000_1050`
|
||||
* нижний правый символ — `0x0000_195F`
|
||||
|
||||
Цветовая схема каждой позиции состоит из двух цветов: цвета фона и цвета символа. Оба эти цвета выбираются из палитры 8 цветов, каждый из которых содержит два оттенка: цвет на полной яркости и цвет на уменьшенной яркости (см. рис. 5). Один из цветов — черный, оба его оттенка представляют собой один и тот же цвет. Ниже приведены коды цветов их rgb-значения:
|
||||
Цветовая схема каждой позиции состоит из двух цветов: цвета фона и цвета символа. Оба эти цвета выбираются из палитры 8 цветов, каждый из которых содержит два оттенка: цвет на полной яркости и цвет на уменьшенной яркости (см. _рис. 5_). Один из цветов — черный, оба его оттенка представляют собой один и тот же цвет. На _рис. 5_ приведены коды цветов их rgb-значения:
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -35,12 +35,14 @@ RISC-V — открытая и свободная система набора к
|
||||
|
||||
> Чтобы устройство управления понимало, когда оно имеет дело с набором сжатых команд **C**, то есть с 16-битными инструкциями, а когда с другими наборами команд, то есть с инструкциями длиной 32 бита, каждая 32-битная инструкция в младших битах имеет `11`. Если в двух младших битах что-то отличное от `11`, значит это 16-битная инструкция!
|
||||
|
||||
На рисунке ниже показана видимая пользователю структура для основного подмножества команд для целочисленных вычислений `RV32I`. Она содержит `регистровый файл`, состоящий из 31 регистра общего назначения **x1** — **x31**, каждый из которых может содержать целочисленное значение, и регистра **x0**, жестко привязанного к константе 0. В случае `RV32`, регистры **xN**, и вообще все регистры, имеют длину в 32 бита. Также есть `АЛУ`, выполняющее операции над данными в регистровом файле (концепция RISC - load&store), и `память` с побайтовой адресацией и шириной адреса 32 бита.
|
||||
На _рис. 1_ показана видимая пользователю структура для основного подмножества команд для целочисленных вычислений `RV32I`. Она содержит `регистровый файл`, состоящий из 31 регистра общего назначения **x1** — **x31**, каждый из которых может содержать целочисленное значение, и регистра **x0**, жестко привязанного к константе 0. В случае `RV32`, регистры **xN**, и вообще все регистры, имеют длину в 32 бита. Также есть `АЛУ`, выполняющее операции над данными в регистровом файле (концепция RISC - load&store), и `память` с побайтовой адресацией и шириной адреса 32 бита.
|
||||
|
||||
Также существует еще один дополнительный видимый пользователю регистр: счетчик команд — `pc` (program counter), который содержит адрес текущей инструкции. `pc` изменяется либо автоматически, указывая на следующую инструкцию, либо в результате использования инструкций управления (операции условного и безусловного переходов).
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 1. Основные компоненты архитектуры RISC-V._
|
||||
|
||||
RISC-V является load&store архитектурой (все операции с числами выполняются над данными только в регистровом файле), поэтому глядя на рисунок выше можно легко заключить, что функционально все инструкции сводятся к трём типам:
|
||||
|
||||
- Операции на АЛУ над числами в регистровом файле
|
||||
@@ -59,22 +61,28 @@ RISC-V является load&store архитектурой (все операц
|
||||
|
||||
## RV32I
|
||||
|
||||
В таблице ниже приводятся 40 команд стандартного набора целочисленных инструкций `RV32I`: мнемоники языка ассемблера, функции, описания, форматы кодирования и значения соответствующих полей при кодировании. В RISC-V предусмотрено несколько форматов кодирования инструкций (следующий рисунок, еще ниже), то есть договоренность какая информация в каком месте 32-битной инструкции хранится и как она представлена. У всех операций есть поле `opcode` (operation code - код операции), в котором закодировано "что нужно сделать". По полю `opcode` устройство управления понимает, что требуется сделать процессору и каким именно способом закодирована инструкция (**R**, **I**, **S**, **B**, **U** или **J**). В 32-битных инструкциях два младших бита всегда равны `11`.
|
||||
В _таблице 1_ приводятся 40 команд стандартного набора целочисленных инструкций `RV32I`: мнемоники языка ассемблера, функции, описания, форматы кодирования и значения соответствующих полей при кодировании. В RISC-V предусмотрено несколько форматов кодирования инструкций (_рис. 3_), то есть договоренность какая информация в каком месте 32-битной инструкции хранится и как она представлена. У всех операций есть поле `opcode` (operation code - код операции), в котором закодировано "что нужно сделать". По полю `opcode` устройство управления понимает, что требуется сделать процессору и каким именно способом закодирована инструкция (**R**, **I**, **S**, **B**, **U** или **J**). В 32-битных инструкциях два младших бита всегда равны `11`.
|
||||
|
||||
Почти все инструкции имеют поле `Func3`, и некоторые — поле `Func7`. Их названия определены их разрядностью: 3 и 7 бит, соответственно. В этих полях, если они есть у инструкции, закодировано уточнение операции. Например, код операции 0010011 указывает на то, что будет выполняться некоторая операция на АЛУ между значением из регистрового файла и константой. Поле `Func3` уточняет операцию, для данного примера, если оно будет равно 0x0, то АЛУ выполнит операцию сложения между значением из регистра и константой из инструкции. Если `Func3` равно 0x6, то будет выполнена операция "логическое ИЛИ".
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Таблица 1. Инструкции набора RV32I с приведением их типов, функционального описания и примеров использования._
|
||||
|
||||
Обратите внимание на операции `slli`, `srli` и `srai` (операции сдвига на константную величину). У этих инструкций немного измененный формат кодирования **I\***. Формат кодирования **I** предоставляет 12-битную константу. Сдвиг 32-битного числа более, чем на 31 не имеет смысла. Для кодирования числа 31 требуется всего 5 бит. Выходит, что из 12 бит константы используется только 5 бит для операции сдвига, а оставшиеся 7 бит – не используются. А, главное (какое совпадение!), эти 7 бит находятся ровно в том же месте, где у других инструкций находится поле `Func7`. Поэтому, чтобы у инструкций `slli`, `srli` и `srai` использующих формат **I** не пропадала эта часть поля, к ней относятся как к полю `Func7`.
|
||||
|
||||
На рисунке ниже приводится фрагмент из [`оригинальной спецификации RISC-V`](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/Ratified-IMAFDQC/riscv-spec-20191213.pdf). Сверху приводятся 6 форматов кодирования инструкций: **R**, **I**, **S**, **B**, **U** и **J**, а ниже приводятся конкретные значения полей внутри инструкции. Под `rd` подразумевается 5-битный адрес регистра назначения, `rs1` и `rs2` - 5-битные адреса регистров источников, `imm` — константа, расположение и порядок битов которой указывается в квадратных скобках. Обратите внимание, что в разных форматах кодирования константы имеют различную разрядность, а их биты упакованы по-разному. Для знаковых операций константу предварительно знаково расширяют до 32 бит. Для беззнаковых расширяют нулями до 32 бит.
|
||||
Таблица 2 является фрагментом [`оригинальной спецификации RISC-V`](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/Ratified-IMAFDQC/riscv-spec-20191213.pdf). Сверху приводятся 6 форматов кодирования инструкций: **R**, **I**, **S**, **B**, **U** и **J**, а ниже приводятся конкретные значения полей внутри инструкции. Под `rd` подразумевается 5-битный адрес регистра назначения, `rs1` и `rs2` - 5-битные адреса регистров источников, `imm` — константа, расположение и порядок битов которой указывается в квадратных скобках. Обратите внимание, что в разных форматах кодирования константы имеют различную разрядность, а их биты упакованы по-разному. Для знаковых операций константу предварительно знаково расширяют до 32 бит. Для беззнаковых расширяют нулями до 32 бит.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
Ниже, для наглядности, приводится пример кодирования пары инструкций из книги Харриса и Харриса "Цифровая схемотехника и архитектура компьютера" в машинный код[2, стр. 368].
|
||||
_Таблица 2. Базовый набор инструкций RV32I._
|
||||
|
||||
На _рис. 2_, для наглядности, приводится пример кодирования пары инструкций из книги Харриса и Харриса "Цифровая схемотехника и архитектура компьютера" в машинный код[2, стр. 368].
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 2. Пример двоичного кодирования инструкций RISC-V._
|
||||
|
||||
Примечание: `s2`, `s3`, `s4`, `t0`, `t1`, `t2` — это синонимы регистров `x18`,`x19`,`x20`,`x5`,`x6`,`x7` соответственно. Введены **соглашением о вызовах** (calling convention) для того, чтобы стандартизировать функциональное назначение регистров. Подробнее об этом будет в лабораторной работе по программированию.
|
||||
|
||||
## Псевдоинструкции
|
||||
@@ -83,19 +91,23 @@ RISC-V является load&store архитектурой (все операц
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Таблица 3. Список псевдоинструкций RISC-V._
|
||||
|
||||
## Основные типы команд
|
||||
|
||||
В основе ISA лежит четыре основных типа команд (R/I/S/U), которые изображены на рисунке ниже. Все они имеют фиксированную длину в 32 бита и должны быть выровнены в памяти по четырехбайтовой границе. Если адрес перехода (в случае безусловного перехода, либо успешного условного перехода) не выровнен, генерируется исключение о невыровненном адресе инструкции. Исключение не генерируется в случае невыполненного условного перехода.
|
||||
В основе ISA лежит четыре основных типа команд (R/I/S/U), которые изображены на _рис. 3_. Все они имеют фиксированную длину в 32 бита и должны быть выровнены в памяти по четырехбайтовой границе. Если адрес перехода (в случае безусловного перехода, либо успешного условного перехода) не выровнен, генерируется исключение о невыровненном адресе инструкции. Исключение не генерируется в случае невыполненного условного перехода.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 3. Типы кодирования инструкций RISC-V._
|
||||
|
||||
Для упрощения декодирования, архитектура команд RISC-V сохраняет положение адресов регистров-источников (`rs1` и `rs2`) и регистра назначения (`rd`) между всеми типами инструкций.
|
||||
|
||||
За исключением 5-битных непосредственных операндов, используемых в командах CSR, все непосредственные операнды (`imm`) проходят знаковое расширение. Для уменьшения сложности оборудования, константа размещается в свободные (от полей `func3`/`func7`/`rs1`/`rd`) биты инструкции, начиная от левого края. В частности, благодаря этому ускоряется схема знакового расширения, поскольку знаковый бит всех непосредственных операндов всегда находится в 31-ом бите инструкции.
|
||||
|
||||
### Способы кодирования непосредственных операндов
|
||||
|
||||
Существует еще два формата кодирования констант в инструкции (**B**/**J**-типа), представленные на рисунке ниже.
|
||||
Существует еще два формата кодирования констант в инструкции (**B**/**J**-типа), представленные на _рис. 4_.
|
||||
|
||||
Единственное различие между форматами **S** и **B** заключается в том, что в формате **B**, 12-битная константа используется для кодирования кратных двум смещений адреса при ветвлении (примечание: кратность двум обеспечивается сдвигом числа на 1 влево). Вместо того, чтобы сдвигать непосредственный операнд относительно всех бит инструкции на 1 влево, средние биты (`imm[10:1]`) и знаковый бит остаются в прежних местах, а оставшийся младший бит константы формата **S** (`inst[7]`) кодирует `imm[11]` бит константы в формате **B**.
|
||||
|
||||
@@ -103,10 +115,14 @@ RISC-V является load&store архитектурой (все операц
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
На рисунке ниже показаны непосредственные значения (константы), создаваемые каждым из основных форматов команд, также они помечены, чтобы показать, какой бит команды (`inst[y]`) какому биту непосредственного значения соответствует.
|
||||
_Рисунок 4. Кодирование констант в инструкциях B и J типа._
|
||||
|
||||
На _рис. 5_ показаны непосредственные значения (константы), создаваемые каждым из основных форматов команд, также они помечены, чтобы показать, какой бит команды (`inst[y]`) какому биту непосредственного значения соответствует.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 5. Иллюстрация общих частей при кодировании констант различных типов инструкций._
|
||||
|
||||
> Знаковое расширение — одна из самых важных операций над непосредственными значениями (особенно в `RV64I`). Поэтому в RISC-V знаковый бит всех непосредственных значений всегда содержится в 31-м бите инструкции. Это позволяет выполнять знаковое расширение параллельно с декодированием команды.
|
||||
>
|
||||
> Несмотря на то, что более сложные микроархитектурные реализации имеющие отдельные сумматоры для вычисления адресов условных и безусловных переходов, могут не получить выигрыш от одинакового расположения битов непосредственных значений во всех типах команд, прежде всего мы хотели снизить аппаратные затраты для простейших реализаций.
|
||||
|
||||
Reference in New Issue
Block a user