mirror of
https://github.com/MPSU/APS.git
synced 2025-09-15 17:20:10 +00:00
522 lines
40 KiB
Markdown
522 lines
40 KiB
Markdown
# Лабораторная работа 14 "Программатор"
|
||
|
||
Чтобы выпустить микроконтроллер в "дикую природу", то есть, чтобы его можно было использовать не в лабораторных условиях, а независимо от всего этого дополнительного оборудования, необходимо придусмотреть механизм замены исполняемой программы.
|
||
|
||
## Цель
|
||
|
||
Реализация программатора — части микроконтроллера, обеспечивающего получение исполняемой программы из внешних, по отношению к системе, устройств.
|
||
|
||
## Ход работы
|
||
|
||
1. Познакомиться с информацией о программаторах и загрузчиках ([#теория](#теория))
|
||
2. Изучить информацию о конечных автоматах и способах их реализации ([#практика](#практика))
|
||
3. Описать перезаписываемую память инструкций ([#память инструкций](#перезаписываемая-память-инструкций))
|
||
4. Описать и проверить модуль программатора ([#программатор](#программатор))
|
||
5. Интегрировать программатор в процессорную систему и проверить её ([#интеграция](#интеграция-программатора-в-riscv_unit))
|
||
6. Проверить работу системы в ПЛИС с помощью предоставленного скрипта по прошивкe системы ([#проверка](#пример-загрузки-прогаммы))
|
||
|
||
## Теория
|
||
|
||
До этого момента исполняемая процессором программа попадала в память инструкций через магический вызов `$readmemh`. Однако, реальные микроконтроллеры не обладают такими возможностями. Программа из внешнего мира попадает в них посредством так называемого **программатора** — устройства, обеспечивающего запись программы в память микроконтроллера. Программатор записывает данные в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Для того, чтобы программа попала из ПЗУ в память инструкций (в ОЗУ), после запуска контроллера сперва начинает исполняться **загрузчик** (**bootloader**) — небольшая программа, вшитая в память микроконтроллера на этапе изготовления. Загрузчик отвечает за первичную инициализацию различных регистров и подготовку микроконтроллера к выполнению основной программы, включая её перенос из ПЗУ в память инструкций.
|
||
|
||
Со временем появилось несколько уровней загрузчиков: сперва запускается **первичный загрузчик** (**first stage bootloader**, **fsbl**), после которого запускается **вторичный загрузчик** (часто в роли вторичного загрузчика исполняется программа под названием **u-boot**). Такая иерархия загрузчиков может потребоваться, например, в случае загрузки операционной системы (которая хранится в файловой системе). Код для работы с файловой системой может попросту не уместиться в первичный загрузчик. В этом случае, целью первичного загрузчика является лишь загрузить вторичный загрузчик, который в свою очередь уже будет способен взаимодействовать с файловой системой и загрузить операционную систему[[1]](https://stackoverflow.com/q/22455153).
|
||
|
||
Кроме того, код вторичного загрузчика может быть изменен, поскольку программируется вместе с основной программой. Первичный загрузчик может быть изменен не во всех случаях.
|
||
|
||
В рамках данной лабораторной работы мы немного упростим процесс передачи программы: вместо записи в ПЗУ, программатор будет записывать её сразу в память инструкций, минуя загрузчик.
|
||
|
||
## Практика
|
||
|
||
### Конечные автоматы (Finite-State Machines, FSM)
|
||
|
||
Программатор будет представлен в виде модуля с [конечным автоматом](https://en.wikipedia.org/wiki/Finite-state_machine). Конечный автомат представляет собой устройство, состоящее из:
|
||
|
||
- элемента памяти (так называемого **регистра состояния**);
|
||
- логики, обеспечивающей изменение значения **регистра состояния** (логики перехода между состояниями) в зависимости от его текущего состояния и входных сигналов;
|
||
- логики, отвечающей за выходы конечного автомата.
|
||
|
||
Обычно, конечные автоматы описываются в виде направленного графа переходов между состояниями, где вершины графа — это состояния конечного автомата, а дуги — условия перехода из одного состояния в другое.
|
||
|
||
Простейшим примером конечного автомата может быть турникет. Когда в приёмник турникета опускается подходящий жетон, тот разблокирует вращающуюся треногу. После попытки поворота треноги, та блокируется до следующего жетона.
|
||
|
||
Иными словами, у турникета есть:
|
||
|
||
- два состояния
|
||
- заблокирован (`locked`)
|
||
- разблокирован(`unlocked`)
|
||
- два входа (события)
|
||
- жетон принят (`coin`)
|
||
- попытка поворота треноги (`push`)
|
||
- один выход
|
||
- блокировка треноги
|
||
|
||
Для описания двух состояний нам будет достаточно однобитного регистра. Для взаимодействия с регистром, нам потребуются так же сигнал синхронизации и сброса.
|
||
|
||
Опишем данный автомат в виде графа переходов:
|
||
|
||
|
||
|
||
_Рисунок 1. Граф переходов конечного автомата для турникета[[2]](https://en.wikipedia.org/wiki/Finite-state_machine)._
|
||
|
||
Черной точкой со стрелкой в вершину `Locked` обозначен сигнал сброса. Иными словами, при сбросе турникет всегда переходит в заблокированное состояние.
|
||
|
||
Как мы видим, повторное опускание жетона в разблокированном состоянии приводит к сохранению этого состояния (но турникет не запоминает, что было опущено 2 жетона, и после первого же прохода станет заблокирован). В случае попытки поворота треноги в заблокированном состоянии, автомат так и останется в заблокированном состоянии.
|
||
|
||
Так же необходимо оговорить приоритет переходов: в первую очередь проверяется попытка поворота треноги, в случае если такой попытки не было, проверяется опускание монетки. Такой приоритет можно было бы указать и на графе, показав на ребрах что переход в состояние unlocked возможен только при отсутствии сигнала `push`.
|
||
|
||
### Реализация конечных автоматов в SystemVerilog
|
||
|
||
Глядя на описание составляющих конечного автомата, вы могли задаться вопросом: чем автомат отличается от последовательностной логики, ведь она состоит из тех же компонент. Ответом будет: ничем. Конечные автоматы являются математической абстракцией над функцией последовательностной логики[[3]](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/digital/chpt-11/finite-state-machines/). Иными словами — конечный автомат, это просто другой способ представления последовательностной логики, а значит вы уже умеете их реализовывать.
|
||
|
||
Для реализации регистра состояния конечного автомата будет удобно воспользоваться специальным типом языка **SystemVerilog**, который называется `enum` (**перечисление**).
|
||
|
||
Перечисления позволяют объявить объединенный набор именованных констант. В дальнейшем, объявленные имена можно использовать вместо перечисленных значений, им соответствующих, что повышает читабельность кода. Если не указано иного, первому имени присваивается значение `0`, каждое последующее увеличивается на `1` относительно предыдущего значения.
|
||
|
||
```SystemVerilog
|
||
module turnstile_fsm(
|
||
input logic clk,
|
||
input logic rst,
|
||
input logic push,
|
||
input logic coin,
|
||
output logic is_locked
|
||
)
|
||
|
||
enum logic {LOCKED=1, UNLOCKED=0} state;
|
||
|
||
assign is_locked = state;
|
||
|
||
always @(posedge clk) begin
|
||
if(rst) begin
|
||
state <= LOCKED;
|
||
end
|
||
else begin
|
||
if(push) begin
|
||
state <= LOCKED;
|
||
end
|
||
else if (coin) begin
|
||
state <= UNLOCKED;
|
||
end
|
||
else begin
|
||
state <= state;
|
||
end
|
||
end
|
||
end
|
||
```
|
||
|
||
Кроме того, при должной поддержке со стороны инструментов моделирования, значения объектов перечислений могут выводиться на временную диаграмму в виде перечисленных имен:
|
||
|
||
|
||
|
||
_Рисунок 2. Вывод значений объекта `enum` на временную диаграмму._
|
||
|
||
Для описания регистра состояния часто используют отдельный комбинационный сигнал, который подается непосредственно на его вход (часто именуемый как `next_state`). Приведенный выше автомат турникета слишком простой, чтобы показать преимущества такого подхода. Предположим, что в момент перехода из состояния `locked` в состояние `unlocked` мы хотим, чтобы загоралась и сразу гасла зеленая лампочка. Без сигнала `next_state` подобный модуль можно было бы описать как:
|
||
|
||
```SystemVerilog
|
||
module turnstile_fsm(
|
||
input logic clk,
|
||
input logic rst,
|
||
input logic push,
|
||
input logic coin,
|
||
output logic is_locked,
|
||
output logic green_light
|
||
)
|
||
|
||
enum logic {LOCKED=1, UNLOCKED=0} state;
|
||
|
||
assign is_locked = state;
|
||
|
||
// (!push) && coin — условие перехода в состояние UNLOCKED
|
||
assign green_light = (state == LOCKED) && (!push) && coin;
|
||
|
||
always @(posedge clk) begin
|
||
if(rst) begin
|
||
state <= LOCKED;
|
||
end
|
||
else begin
|
||
if(push) begin
|
||
state <= LOCKED;
|
||
end
|
||
else if (coin) begin
|
||
state <= UNLOCKED;
|
||
end
|
||
else begin
|
||
state <= state;
|
||
end
|
||
end
|
||
end
|
||
```
|
||
|
||
Используя сигнал `next_state`, автомат мог бы быть переписан следующим образом:
|
||
|
||
```SystemVerilog
|
||
module turnstile_fsm(
|
||
input logic clk,
|
||
input logic rst,
|
||
input logic push,
|
||
input logic coin,
|
||
output logic is_locked,
|
||
output logic green_light
|
||
)
|
||
|
||
enum logic {LOCKED=1, UNLOCKED=0} state, next_state;
|
||
|
||
assign is_locked = state;
|
||
|
||
assign green_light = (state == LOCKED) && (next_state == UNLOCKED);
|
||
|
||
always_ff @(posedge clk) begin
|
||
if(rst) begin
|
||
state <= LOCKED;
|
||
end
|
||
else begin
|
||
state <= next_state
|
||
end
|
||
end
|
||
|
||
always_comb begin
|
||
if(push) begin
|
||
next_state <= LOCKED;
|
||
end
|
||
else if (coin) begin
|
||
next_state <= UNLOCKED;
|
||
end
|
||
else begin
|
||
next_state <= state;
|
||
end
|
||
end
|
||
```
|
||
|
||
На первый взгляд может показаться, что так даже сложнее. Во-первых, появился дополнительный сигнал. Во-вторых, появился еще один `always`-блок. Однако представьте на секунду, что условиями перехода будут не однобитные входные сигналы, а какие-нибудь более сложные условия. И что от них будет зависеть не один выходной сигнал, а множество как выходных сигналов, так и внутренних элементов памяти помимо регистра состояний. В этом случае, сигнал `next_state` позволит избежать дублирования множества условий.
|
||
|
||
Важно отметить, что объектам типа `enum` можно присваивать только перечисленные константы и объекты того же типа. Иными словами, `state` можно присваивать значения `LOCKED`/`UNLOCKED` и `next_state`, но нельзя, к примеру, присвоить `1'b0`.
|
||
|
||
## Задание
|
||
|
||
Для выполнения данной лабораторной работы необходимо:
|
||
|
||
- описать перезаписываемую память инструкций;
|
||
- описать модуль-программатор;
|
||
- заменить в `riscv_unit` память инструкций на новую, и интегрировать в `riscv_unit` программатор.
|
||
|
||
### Перезаписываемая память инструкций
|
||
|
||
Поскольку ранее из памяти инструкций можно было только считывать данные, но не записывать их в нее, программатор не сможет записать принятую из внешнего мира программу. Поэтому необходимо добавить в память инструкций порт на запись. Для того, чтобы различать реализации памяти инструкций, данный модуль будет назвать `rw_instr_mem` со следующим прототипом:
|
||
|
||
```SystemVerilog
|
||
module rw_instr_mem(
|
||
input logic clk_i,
|
||
input logic [31:0] read_addr_i,
|
||
output logic [31:0] read_data_o,
|
||
|
||
input logic [31:0] write_addr_i,
|
||
input logic [31:0] write_data_i,
|
||
input logic write_enable_i
|
||
);
|
||
```
|
||
|
||
Как вы помните, модуль `instr_mem` отличался от `data_mem` только портом на запись, так что данный модуль будет практически в точности повторять модуль `data_mem` за исключением того, что у этого модуля нет сигнала `req_i` (поскольку память инструкций подключена к процессору в обход системной шины).
|
||
|
||
### Программатор
|
||
|
||
Необходимо реализовать модуль программатора, использующий с одной "стороны" `uart` в качестве интерфейса для обмена данными с внешним миром, а с другой — интерфейсы для записи полученных данных в память инструкций и память данных.
|
||
|
||
#### Описание модуля
|
||
|
||
В основе работы модуля лежит конечный автомат со следующим графом перехода между состояниями:
|
||
|
||
|
||
|
||
_Рисунок 3. Граф перехода между состояниями программатора._
|
||
|
||
Условия перехода следующие:
|
||
|
||
- `send_fin = ( msg_counter == 0) && !tx_busy` — условие завершения передачи модулем сообщения по `uart_tx`;
|
||
- `size_fin = ( size_counter == 0) && !rx_busy` — условие завершения приема модулем размера будущей посылки;
|
||
- `flash_fin = (flash_counter == 0) && !rx_busy` — условие завершения приема модулем блока записываемых данных;
|
||
- `next_round = (flash_addr != 0) && !rx_busy` — условие записи блока данных через системную шину;
|
||
|
||
Ниже представлен прототип модуля с частично реализованной логикой:
|
||
|
||
```SystemVerilog
|
||
module bluster
|
||
(
|
||
input logic clk_i,
|
||
input logic rst_i,
|
||
|
||
input logic rx_i,
|
||
output logic tx_o,
|
||
|
||
output logic [ 31:0] instr_addr_o,
|
||
output logic [ 31:0] instr_wdata_o,
|
||
output logic instr_write_enable_o,
|
||
|
||
output logic [ 31:0] data_addr_o,
|
||
output logic [ 31:0] data_wdata_o,
|
||
output logic data_write_enable_o,
|
||
|
||
output logic core_reset_o
|
||
);
|
||
|
||
enum logic [2:0] {
|
||
RCV_NEXT_COMMAND,
|
||
INIT_MSG,
|
||
RCV_SIZE,
|
||
SIZE_ACK,
|
||
FLASH,
|
||
FLASH_ACK,
|
||
WAIT_TX_DONE,
|
||
FINISH}
|
||
state, next_state;
|
||
|
||
logic rx_busy, rx_valid, tx_busy, tx_valid;
|
||
logic [7:0] rx_data, tx_data;
|
||
|
||
logic [5:0] msg_counter;
|
||
logic [31:0] size_counter, flash_counter;
|
||
logic [3:0] [7:0] flash_size, flash_addr;
|
||
|
||
logic send_fin, size_fin, flash_fin, next_round;
|
||
|
||
assign send_fin = (msg_counter == 0) && !tx_busy;
|
||
assign size_fin = (size_counter == 0) && !rx_busy;
|
||
assign flash_fin = (flash_counter == 0) && !rx_busy;
|
||
assign next_round = (flash_addr != '1) && !rx_busy;
|
||
|
||
localparam INIT_MSG_SIZE = 40;
|
||
localparam FLASH_MSG_SIZE = 57;
|
||
localparam ACK_MSG_SIZE = 4;
|
||
|
||
logic [7:0] [7:0] flash_size_ascii, flash_addr_ascii;
|
||
genvar i;
|
||
generate
|
||
for(i=0; i < 4; i=i+1) begin
|
||
// Разделяем каждый байт flash_size и flash_addr на два ниббла.
|
||
// Ниббл — это 4 бита. Каждый ниббл можно описать 16-ричной цифрой.
|
||
// Если ниббл меньше 10 (4'ha), он описывается цифрами 0-9. Чтобы представить
|
||
// его ascii-кодом, необходимо прибавить к нему число 8'h30
|
||
// (ascii-код символа '0').
|
||
// Если ниббл больше либо равен 10, он описывается буквами a-f. Для его
|
||
// представления в виде ascii-кода, необходимо прибавить число 8'h57
|
||
// (ascii-код символа 'a' - 8'h61).
|
||
assign flash_size_ascii[i*2] = flash_size[i][3:0] < 4'ha ? flash_size[i][3:0] + 8'h30 :
|
||
flash_size[i][3:0] + 8'h57;
|
||
assign flash_size_ascii[i*2+1] = flash_size[i][7:4] < 4'ha ? flash_size[i][7:4] + 8'h30 :
|
||
flash_size[i][7:4] + 8'h57;
|
||
|
||
assign flash_addr_ascii[i*2] = flash_addr[i][3:0] < 4'ha ? flash_addr[i][3:0] + 8'h30 :
|
||
flash_addr[i][3:0] + 8'h57;
|
||
assign flash_addr_ascii[i*2+1] = flash_addr[i][7:4] < 4'ha ? flash_addr[i][7:4] + 8'h30 :
|
||
flash_addr[i][7:4] + 8'h57;
|
||
end
|
||
endgenerate
|
||
|
||
logic [INIT_MSG_SIZE-1:0][7:0] init_msg;
|
||
// ascii-код строки "ready for flash staring from 0xflash_addr\n"
|
||
assign init_msg = { 8'h72, 8'h65, 8'h61, 8'h64, 8'h79, 8'h20, 8'h66, 8'h6F,
|
||
8'h72, 8'h20, 8'h66, 8'h6C, 8'h61, 8'h73, 8'h68, 8'h20,
|
||
8'h73, 8'h74, 8'h61, 8'h72, 8'h69, 8'h6E, 8'h67, 8'h20,
|
||
8'h66, 8'h72, 8'h6F, 8'h6D, 8'h20, 8'h30, 8'h78,
|
||
flash_addr_ascii, 8'h0a};
|
||
|
||
logic [FLASH_MSG_SIZE-1:0][7:0] flash_msg;
|
||
//ascii-код строки: "finished write 0xflash_size bytes starting from 0xflash_addr\n"
|
||
assign flash_msg = {8'h66, 8'h69, 8'h6E, 8'h69, 8'h73, 8'h68, 8'h65, 8'h64,
|
||
8'h20, 8'h77, 8'h72, 8'h69, 8'h74, 8'h65, 8'h20, 8'h30,
|
||
8'h78, flash_size_ascii, 8'h20, 8'h62, 8'h79,
|
||
8'h74, 8'h65, 8'h73, 8'h20, 8'h73, 8'h74, 8'h61, 8'h72,
|
||
8'h74, 8'h69, 8'h6E, 8'h67, 8'h20, 8'h66, 8'h72, 8'h6F,
|
||
8'h6D, 8'h20, 8'h30, 8'h78, flash_addr_ascii,
|
||
8'h0a};
|
||
|
||
uart_rx rx(
|
||
.clk_i (clk_i ),
|
||
.rst_i (rst_i ),
|
||
.rx_i (rx_i ),
|
||
.busy_o (rx_busy ),
|
||
.baudrate_i (17'd115200 ),
|
||
.parity_en_i(1'b1 ),
|
||
.stopbit_i (1'b1 ),
|
||
.rx_data_o (rx_data ),
|
||
.rx_valid_o (rx_valid )
|
||
);
|
||
|
||
uart_tx tx(
|
||
.clk_i (clk_i ),
|
||
.rst_i (rst_i ),
|
||
.tx_o (tx_o ),
|
||
.busy_o (tx_busy ),
|
||
.baudrate_i (17'd115200 ),
|
||
.parity_en_i(1'b1 ),
|
||
.stopbit_i (1'b1 ),
|
||
.tx_data_i (tx_data ),
|
||
.tx_valid_i (tx_valid )
|
||
);
|
||
|
||
endmodule
|
||
```
|
||
|
||
Здесь уже объявлены:
|
||
|
||
- `enum`-сигналы `state` и `next_state`;
|
||
- сигналы, `send_fin`, `size_fin`, `flash_fin`, `next_round`, используемые в качестве условий переходов между состояниями;
|
||
- счетчики `msg_counter`, `size_counter`, `flash_counter`, необходимые для реализации условий переходов;
|
||
- сигналы, необходимые для подключения модулей `uart_rx` и `uart_tx`:
|
||
- `rx_busy`,
|
||
- `rx_valid`,
|
||
- `tx_busy`,
|
||
- `tx_valid`,
|
||
- `rx_data`,
|
||
- `tx_data`;
|
||
- модули `uart_rx`, `uart_tx`;
|
||
- сигналы `init_msg`, `flash_msg`, хранящие ascii-код ответов программатора, а также логику и сигналы, необходимые для реализации этих ответов:
|
||
- `flash_size`,
|
||
- `flash_addr`,
|
||
- `flash_size_ascii`,
|
||
- `flash_addr_ascii`.
|
||
|
||
#### Реализация модуля программатора
|
||
|
||
Для реализации данного модуля, необходимо реализовать все объявленные выше сигналы, кроме сигналов:
|
||
|
||
- `rx_busy`, `rx_valid`, `rx_data`, `tx_busy` (т.к. те уже подключены к выходам модулей `uart_rx` и `uart_tx`),
|
||
- `flash_size_ascii`, `flash_addr_ascii`, `init_msg`, `flash_msg` (т.к. они уже реализованы в представленной выше логике).
|
||
|
||
Так же необходимо реализовать выходы модуля программатора:
|
||
|
||
- `instr_addr_o`;
|
||
- `instr_wdata_o`;
|
||
- `instr_write_enable_o`;
|
||
- `data_addr_o`;
|
||
- `data_wdata_o`;
|
||
- `data_write_enable_o`;
|
||
- `core_reset_o`.
|
||
|
||
##### Реализация конечного автомата
|
||
|
||
Для реализации сигналов `state`, `next_state` представлен граф переходов между состояниями. В случае, если не выполняется ни одно из условий перехода, автомат должен остаться в текущем состоянии.
|
||
|
||
Логика условий переходов уже была представлена сразу после графа переходов.
|
||
|
||
Для работы логики переходов, необходимо реализовать счетчики `size_counter`, `flash_counter`, `msg_counter`.
|
||
|
||
`size_counter` должен сбрасываться в значение `4`, а также принимать это значение во всех состояниях кроме: `RCV_SIZE`, `RCV_NEXT_COMMAND`. В данных двух состояниях счетчик должен декрементироваться в случае, если `rx_valid` равен единице.
|
||
|
||
`flash_counter` должен сбрасываться в значение `flash_size`, а также принимать это значение во всех состояниях кроме `FLASH`. В этом состоянии счетчик должен декрементироваться в случае, если `rx_valid` равен единице.
|
||
|
||
`msg_counter` должен сбрасываться в значение `INIT_MSG_SIZE-1`.
|
||
|
||
Счетчик должен инициализироваться следующим образом:
|
||
|
||
- в состоянии `FLASH` счетчик должен принимать значение `FLASH_MSG_SIZE-1`,
|
||
- в состоянии `RCV_SIZE` счетчик должен принимать значение `ACK_MSG_SIZE-1`,
|
||
- в состоянии `RCV_NEXT_COMMAND` счетчик должен принимать значение `INIT_MSG_SIZE-1`.
|
||
|
||
В состояниях: `INIT_MSG`, `SIZE_ACK`, `FLASH_ACK` счетчик должен декрементироваться в случае, если `tx_valid` равен единице.
|
||
|
||
Во всех остальных ситуациях счетчик должен сохранять свое значение.
|
||
|
||
##### Реализация сигналов, подключаемых к uart_tx
|
||
|
||
Сигнал `tx_valid` должен быть равен единице только когда `tx_busy` равен нулю, а конечный автомат находится в одном из следующих состояний:
|
||
|
||
- `INIT_MSG`,
|
||
- `SIZE_ACK`,
|
||
- `FLASH_ACK`
|
||
|
||
Иными словами, `tx_valid` равен единице, когда автомат находится в состоянии, отвечающем за передачу сообщений от программатора, но в данный момент программатор не отправляет очередной байт сообщения.
|
||
|
||
Сигнал `tx_data` должен нести очередной байт одного из передаваемых сообщений:
|
||
|
||
- в состоянии `INIT_MSG` передается очередной байт сообщения `init_msg`
|
||
- в состоянии `SIZE_ACK` передается очередной байт сообщения `flash_size`
|
||
- в состоянии `FLASH_ACK` передается очередной байт сообщения `flash_msg`.
|
||
|
||
В остальных состояниях он равен нулю. Для отсчета байт используется счетчик `msg_counter`.
|
||
|
||
##### Реализация оставшейся части логики
|
||
|
||
Регистр `flash_size` работает следующим образом:
|
||
|
||
- сбрасывается в 0;
|
||
- в состоянии `RCV_SIZE` при `rx_valid` равном единице становится равен `{flash_size[2:0], rx_data}` (сдвигается на 1 байт влево и на освободившееся место ставится очередной пришедший байт);
|
||
- в остальных ситуациях сохраняет свое значение.
|
||
|
||
Регистр `flash_addr` почти полностью повторяет поведение `flash_size`:
|
||
|
||
- сбрасывается в 0;
|
||
- в состоянии `RCV_NEXT_COMMAND` при `rx_valid` равном единице становится равен `{flash_size[2:0], rx_data}` (сдвигается на 1 байт влево и на освободившееся место ставится очередной пришедший байт);
|
||
- в остальных ситуациях сохраняет свое значение.
|
||
|
||
Сигнал `core_reset_o` равен единице в случае, если состояние конечного автомата не `FINISH`.
|
||
|
||
Оставшиеся сигналы (сигналы интерфейса памяти инструкций и памяти данных) работают по схожей логике.
|
||
|
||
Сигналы памяти инструкций (`instr_addr_o`, `instr_wdata_o`, `instr_write_enable_o`):
|
||
|
||
- сбрасываются в ноль
|
||
- в случае состояния `FLASH` и пришедшего сигнала `rx_valid`, если значение `flash_addr` меньше размера памяти инструкций в байтах:
|
||
- `instr_wdata_o` принимает значение `{instr_wdata_o[23:0], rx_data}` (справа вдвигается очередной пришедший байт)
|
||
- `instr_write_enable_o` становится равен `(flash_counter[1:0] == 2'b01)`
|
||
- `instr_addr_o` становится равен `flash_addr + flash_counter - 1`
|
||
- во всех остальных ситуациях `instr_wdata_o` и `instr_addr_o` сохраняют свое значение, а `instr_write_enable_o` сбрасывается в ноль.
|
||
|
||
Сигналы памяти данных (`data_addr_o`, `data_wdata_o`, `data_write_enable_o`):
|
||
|
||
- сбрасываются в ноль
|
||
- в случае состояния `FLASH` и пришедшего сигнала `rx_valid`, если значение `flash_addr` больше либо равно размеру памяти инструкций в байтах:
|
||
- `data_wdata_o` принимает значение `{data_wdata_o[23:0], rx_data}` (справа вдвигается очередной пришедший байт)
|
||
- `data_write_enable_o` становится равен `(flash_counter[1:0] == 2'b01)`
|
||
- `data_addr_o` становится равен `flash_addr + flash_counter - 1`
|
||
- во всех остальных ситуациях `data_wdata_o` и `data_addr_o` сохраняют свое значение, а `data_write_enable_o` сбрасывается в ноль.
|
||
|
||
> Так как вышесказанное по сути является полным описанием работы программатора на русском языке, то фактически **задача сводится к переводу** текста описания программатора выше **с руского на verilog**
|
||
|
||
### Интеграция программатора в riscv_unit
|
||
|
||
|
||
|
||
В первую очередь, необходимо заменить память инструкций и добавить новый модуль. После чего подключить программатор к памяти инструкций и мультиплексировать выход интерфейса памяти данных программатора с интерфейсом памяти данных LSU. Сигнал сброса процессора необходимо заменить на выход `core_reset_o`.
|
||
|
||
В случае, если использовалось периферийное устройство `uart_tx`, необходимо мультиплексировать его выход `tx_o` с одноименным выходом программатора аналогично тому, как это было сделано с сигналами интерфейса памяти данных.
|
||
|
||
### Пример загрузки прогаммы
|
||
|
||
Чтобы проверить работу программатора на практике необходимо подготовить скомпилированную программу подобно тому, как это делалось в лабораторной работе 13. Подключить интерфейс последовательного порта к компьютеру также, как это делалось в лабораторной работе 12, после чего необходимо запустить скрипт:
|
||
|
||
```bash
|
||
# Пример использования скрипта. Указывается программа для записи и последовательный порт, к которому подключается программатор
|
||
python3 flash.py ./path/to/program COM3
|
||
```
|
||
|
||
## Порядок выполнения задания
|
||
|
||
1. Напишите модуль перезаписываемой памяти инструкций. Данный модуль будет аналогичен памяти данных, только в нем не будет сигнала `mem_req_i`.
|
||
2. Создайте модуль `bluster`, используя предоставленный код.
|
||
1. Опишите конечный автомат используя сигналы `state`, `next_state`, `send_fin`, `size_fin`, `flash_fin`, `next_round`.
|
||
2. [Реализуйте](#описание-модуля) логику сигналов `send_fin`, `size_fin`, `flash_fin`, `next_round`.
|
||
3. [Реализуйте](#реализация-конечного-автомата) логику счетчиков `size_counter`, `flash_counter`, `msg_counter`.
|
||
4. [Реализуйте](#реализация-сигналов-подключаемых-к-uart_tx) логику сигналов `tx_valid`, `tx_data`.
|
||
5. [Реализуйте](#реализация-оставшейся-части-логики) логику оставшихся сигналов.
|
||
3. После описания модуля, его необходимо проверить с помощью тестового окружения.
|
||
1. Тестовое окружение находится [здесь](tb_bluster.sv).
|
||
2. Для запуска симуляции воспользуйтесь [`этой инструкцией`](../../Vivado%20Basics/Run%20Simulation.md).
|
||
3. Перед запуском симуляции убедитесь, что в качестве top-level модуля выбран корректный (`tb_bluster`).
|
||
4. Во время симуляции, вы должны прожать "Run All" и убедиться, что в логе есть сообщение о завершении теста!
|
||
4. Интегрируйте программатор в модуль `riscv_unit`.
|
||
1. Обновите память инструкций.
|
||
2. Добавьте модуль программатор.
|
||
3. Подключите программатор к процессорной системе.
|
||
1. Интерфейс памяти инструкций подключается к порту записи обновленной памяти инструкций.
|
||
2. Интерфейс памяти данных мультиплексируется с интерфейсом памяти данных модуля `LSU`.
|
||
3. Замените сигнал сброса модуля `riscv_core` сигналом `core_reset_o`.
|
||
4. В случае если у вас есть периферийное устройство `uart_tx` его выход `tx_o` необходимо мультиплексировать с выходом `tx_o` программатора аналогично тому, как был мультиплексирован интерфейс памяти данных.
|
||
5. После интеграции модуля, его необходимо проверить с помощью тестового окружения.
|
||
1. Тестовое окружение находится [здесь](tb_top_asic.sv).
|
||
2. Для запуска симуляции воспользуйтесь [`этой инструкцией`](../../Vivado%20Basics/Run%20Simulation.md).
|
||
3. Перед запуском симуляции убедитесь, что в качестве top-level модуля выбран корректный (`tb_top_asic`).
|
||
4. Во время симуляции, вы должны прожать "Run All" и убедиться, что в логе есть сообщение о завершении теста!
|
||
6. Переходить к следующему пункту можно только после того, как вы полностью убедились в работоспособности модуля на этапе моделирования (увидели, что в память инструкций и данных были записаны корректные данные). Генерация битстрима будет занимать у вас долгое время, а итогом вы получите результат: заработало / не заработало, без какой-либо дополнительной информации, поэтому без прочного фундамента на моделировании далеко уехать у вас не выйдет.
|
||
7. Подключите к проекту файл ограничений ([nexys_a7_100t.xdc](nexys_a7_100t.xdc)), если тот еще не был подключен, либо замените его содержимое данными из файла к этой лабораторной работе.
|
||
8. Проверьте работу вашей процессорной системы на отладочном стенде с ПЛИС.
|
||
1. Для прошивки процессорной системы используется скрипт [flash.py](flash.py).
|