APS/Labs

Курс лабораторных работ

Содержание

• Курс лабораторных работ
  • Содержание
  • Полезное
  • Порядок выполнения лабораторных работ для групп
    • ИБ, ИКТ, КТ, РТ
    • ПИН, ПМ
    • ИВТ
  • Обзор лабораторных работ
  • 1. Сумматор. Verilog HDL (Adder)
  • 2. Арифметико-логическое устройство (ALU)
  • 3. Регистровый файл и память (RF)
  • 4. Простейшее программируемое устройство (PPD)
  • 5. Основной дешифратор команд (MD)
  • 6. Тракт данных (DP)
  • 7. Блог загрузки и сохранения данных (LSU)
  • 8. Подсистема прерывания (IC)
  • 9. Периферийные устройства (PU)
  • 10. Программирование на языке высокого уровня

Полезное

• Как установить Vivado
• Создание базового проекта с прошивкой ПЛИС в Vivado
• Что такое язык описания аппаратуры HDL
• Как работает ПЛИС
• Синтакс языка Verilog
• Базовые конструкции Verilog
• Тестовое окружение

Порядок выполнения лабораторных работ для групп

ИБ, ИКТ, КТ, РТ

1. Сумматор (01. Adder)
2. АЛУ (02. Arithmetic-logic unit)
3. Регистровый файл и внешняя память (03. Register file and memory)
4. Простейшее программируемое устройство (04. Primitive programmable device)

ПИН, ПМ

1. Сумматор (01. Adder)
2. АЛУ (02. Arithmetic-logic unit)
3. Регистровый файл и внешняя память (03. Register file and memory)
4. Простейшее программируемое устройство (04. Primitive programmable device)
5. Основной дешифратор (05. Main decoder)
6. Тракт данных (06. Datapath)
7. Периферийные устройства (09. Peripheral units)
8. Программирование (10. Programming)

ИВТ

1. АЛУ (02. Arithmetic-logic unit)
2. 1. Память (03. Register file and memory),
   2. Простейшее программируемое устройство (04. Primitive programmable device)
3. Основной дешифратор (05. Main decoder)
4. Тракт данных (06. Datapath)
5. Модуль загрузки и сохранения (07. Load-store unit)
6. Контроллер прерываний ()
7. Периферийные устройства (09. Peripheral units)
8. Программирование (10. Programming)

Обзор лабораторных работ

Курс Архитектур процессорных систем включает в себя цикл из 10 лабораторных работ, в течение которых используя язык описания аппаратуры Verilog HDL на основе FPGA (ПЛИС, программируемая логическая интегральная схема), с нуля, последовательно, создается система, под управлением процессора с архитектурой RISC-V, управляющего периферийными устройствами и программируемого на языке высокого уровня C++.

Создаваемая система на ПЛИС состоит из: процессора, памяти, контроллера прерываний и контроллеров периферийных устройств.

Выполнение лабораторных работ это последовательный процесс в результате которого будет освоен ряд различных инструментов и средств. В общих словах это:

Verilog HDL - язык описания аппаратуры, благодаря которому схемы не рисуются, а описываются с помощью текста (кода).

Testbench - тестовые окружения, которые представляют собой несинтезируемые (то есть не существующие в реальном физическом мире) блоки, созданные на языке Verilog HDL для автоматического тестирования разрабатываемых устройств и проверки их корректной работоспособности.

FPGA - программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), изменяя внутреннюю конфигурацию которой можно создать любые цифровые устройства (в рамках предоставляемых ресурсов).

Vivado - система автоматизированного проектирования, которая превращает Verilog-код в конфигурацию и прошивает ей ПЛИС на отладочной плате.

Архитектура RISC-V - открытая и свободная система команд и процессорная архитектура на основе концепции RISC для микропроцессоров и микроконтроллеров.

Язык ассемблера RISC-V - список основных команд и особенности их использования и написания программ.

Ассемблер RISC-V - программа, которая превращает код, написанный на языке ассемблера RISC-V в машинные инструкции для процессора с архитектурой RISC-V.

Далее приводится краткое описание и цель каждой отдельной лабораторной работы.

1. Сумматор. Verilog HDL (Adder)

На первой лабораторной работе изучаются базовые конструкции языка описания аппаратуры Verilog HDL, с помощью которого разрабатывается цифровой сумматор из примитивных логических вентилей, который, в последствии, конфигурируется в ПЛИС и его работа проверяется на отладочном стенде.

2. Арифметико-логическое устройство (ALU)

На второй лабораторной изучаются новые конструкции языка Verilog HDL, на основе которых разрабатывается блок арифметико-логического устройства (АЛУ). АЛУ - это устройство, на входы которого подаются операнды, над которыми нужно выполнить некоторую операцию (сложение, вычитание и тому подобное) и код операции, которую нужно выполнить, а на выходе появляется результат этой операции. Проще говоря АЛУ - это "калькулятор" процессора.

Для проверки правильной работоспособности АЛУ в конце лабораторной работы, на языке Verilog HDL, пишется testbench (тестовое окружение), которое автоматически проверяет корректность его реализации.

3. Регистровый файл и память (RF)

На третьей лабораторной разрабатываются элементы памяти для будущего процессора: память команд, память данных и регистровый файл. В памяти команд будет храниться программа, которую будет выполнять процессор. В памяти данных хранятся данные, которые будут обрабатываться процессором. Регистровый файл - это маленькая память, тоже с данными, которые могут быть поданы непосредственно на АЛУ. Особенность RISC-архитектур в том, что данные перед обработкой необходимо перенести из памяти данных в регистровый файл, только после этого к ним можно применять различные операции.

4. Простейшее программируемое устройство (PPD)

Эта работа – небольшое отступление от реализации процессора с архитектурой RISC-V и нужна для более глубокого понимания принципов работы и организации программируемых устройств. В рамках четвертой лабораторной работы из реализованных блоков собирается примитивное программируемое устройство, для которого пишется программа в машинных кодах.

5. Основной дешифратор команд (MD)

Пятая лабораторная посвящена разработке устройства управления – основному дешифратору команд. Функция основного дешифратора - получать на вход коды выполняемых операций и преобразовывать их в управляющие сигналы для всех блоков процессора (АЛУ, память, регистровый файл, мультиплексоры). Работа требует внимательности в реализации, а ее результат проверяется заранее подготовленными автоматическими тестами.

6. Тракт данных (DP)

Разработанные блоки объединяются, образуя тракт данных, управляемый основным дешифратором команд. Результатом шестой лабораторной работы является однотактный процессор, с архитектурой RISC-V, поддерживающий стандартный набор целочисленных инструкций RV32I. В качестве проверки на процессоре запускаются программы, заранее написанные на языке ассемблера RISC-V. Сравнивается результат полученный на симуляторе и на разработанном процессоре.

7. Блог загрузки и сохранения данных (LSU)

В современных компьютерах память является отдельным от процессора устройством. В пятой работе память программ и память данных выносится за пределы процессора, объединяются в одну общую память и подключается через общую шину. В процессоре для этого появляется блок Load/Store Unit.

8. Подсистема прерывания (IC)

Одной из основных функций процессоров является возможность реагировать на внешние события (дернуть мышку, нажать кнопку и т.п.), автоматически запуская, при их возникновении, соответствующие программы. В шестой работе создается и подключается подсистема прерывания, к которой относятся контроллер прерываний с циклическим опросом и блок регистров статуса и управления.

9. Периферийные устройства (PU)

На седьмой работе создаются и подключаются к общей шине и подсистеме прерывания контроллеры периферийных устройств, такие как контроллер клавиатуры и VGA-контроллер.

10. Программирование на языке высокого уровня

В рамках восьмой работы настраивается компилятор GCC для RISC-V и для разработанной системы пишется программное обеспечение на языке программирования C++.