Download/Link - Praktische Informatik - Universität Siegen

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Hardwarepraktikum 2.0 

Entwurf eines Speicher- und IO-Interfaces auf einem FPGA 

sowie 

eines Assembler-Compilers/-Debuggers und Memory-Viewers 

Bachelorarbeiten 

Dennis Reuling und Simon Hardt 

Fachgruppe für Mikrosystementwurf 

Fakultät IV, Department Elektrotechnik und Informatik 

Universität Siegen 

17. Mai 2011

Gliederung 

Hardwarepraktikum 2.0 ⊲ Bachelorarbeiten 

2 / 50 

1 Einleitung 

2 Entwurfsüberblick 

3 Speicher- und IO-Interface für einen FPGA 

Modulübersichten 

FPGA-Testboard 

4 Assembler-Compiler/-Debugger und Memory-Viewer 

Compiler/Debugger 

Benutzeroberfläche 

5 Zusammenfassung und Ausblick 

Dennis Reuling und Simon Hardt (Universität Siegen)

Gliederung 


⊲ Einleitung 3 / 50 

1 Einleitung 












Hardwarepraktikum 

Das Hardwarepraktikum wird von der Fachgruppe Mikrosystementwurf 

jedes Sommersemester angeboten 

Zielgruppe: Studenten der Informatik 

Zielsetzung: Praktische Erfahrungen in hardwarenaher Entwicklung und 

dem Zusammenspiel zwischen Hardware und Software sammeln 




Hardwarepraktikum 

Das Hardwarepraktikum wird von der Fachgruppe Mikrosystementwurf 

jedes Sommersemester angeboten 

Zielgruppe: Studenten der Informatik 

Zielsetzung: Praktische Erfahrungen in hardwarenaher Entwicklung und 

dem Zusammenspiel zwischen Hardware und Software sammeln 

Das Praktikum besteht aus zwei wichtigen Abschnitten: 

Entwicklung eines Prozessors auf einem FPGA 

Assemblerprogrammierung und anschließende Ausführung auf dem 

zuvor entwickelten Prozessor 


Gliederung 


⊲ Entwurfsüberblick 5 / 50 

1 Einleitung 












Ausgangslage - Hardwareseite 

Kommunikation über die RS232-Schnittstelle zwischen dem FPGA und 

dem Computer 

- Speicher schreiben 

- Speicher lesen 

- Eingaben 

- Ausgaben 

- Baudrate von 9600 

Prozessor kann auf den Speicher zugreifen 

Assemblerprogramme können auf dem FPGA ausgeführt werden, 

welche über den Computer mit dem Benutzer interagieren 




Anforderungen - Hardwareseite 

Load / Store Befehle müssen möglich sein 

Die Kommunikation über RS232-Schnittstelle 

- Höhere Baudrate als 9600 

- FPGA Module zurücksetzten 

- Fehlererkennung bei der Übertragung 

Die Verwendung der möglichen Sensoren und Aktoren auf dem 


Die Kompatibilität zu alten Prozessoren und alten 

Assemblerprogrammen 




Ausgangslage - Softwareseite 

Kompilieren und Debuggen von Assemblercode mit Hilfe einer 

Konsolenanwendung 

Verwendung des Assemblercompilers von Andre Hertwig: 

- Kompilieren von Assemblerprogrammen 

- Debuggen von Assemblerprogrammen 

Editieren und Übertragen von Assemblercode mit Hilfe einer grafischen 

Anwendung 

Der verwendete Assembler- und Memoryviewer von Carsten Giersbach 

bietet folgende Mglichkeiten: 

- Entwerfen, Laden und Speichern von Assemblerprogrammen 

- Kompilieren des Assemblercodes mit Hilfe des Assemblercompilers 

- Kommunikation mit einem angeschlossenen FPGA 

- Lesen, Schreiben sowie Visualisieren des Speichers vom FPGA 




Anforderungen - Softwareseite 

Durch praktische Erfahrungen besteht der Wunsch nach Erweiterungen: 

Reduzierung von zwei benötigten Programmen auf ein Programm, aber 

mit dem gesamten Funktionsumfang: 

- Editieren, kompilieren und debuggen von Assemblerprogrammen 

- Kommunikation mit einem FPGA 

- Lesen, schreiben sowie visualisieren des Speichers vom FPGA 

Alle Funktionen benutzbar in grafischer Oberfläche 

Unterstützung mehrerer Betriebssysteme 

Möglichkeiten zur Erweiterung bieten 




Verwendetes Schichtenmodell 


Gliederung 


⊲ Speicher- und IO-Interface für einen FPGA 11 / 50 

1 Einleitung 










Einleitung 


⊲ Speicher- und IO-Interface für einen FPGA 12 / 50 

Es entstanden viele neue Module 

- neue RS232-Übertragungsmodule 

- neue Aktor und Sensormodule 

Es entstanden viele neue Möglichkeiten durch neue Module 

- Reset der Module auf dem FPGA-Testboard über RS232-Port 

- Möglichkeit zur Interatkion über Switches 

- Möglichkeit zum Anzeigen von Daten über LEDS 

- Möglichkeit zum Anzeigen von Daten über 7-Segment-Anzeigen 


Übersicht 


⊲ Speicher- und IO-Interface für einen FPGA ⊲ Modulübersichten 13 / 50 




RS232rx 

Ermöglicht das Empfangen von Bits über den RS232-Port 

Mögliche Baudraten: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 

Momentan verwendete Baudrate: 115200 

Baudratenerzeugung aus 50Mhz Clock vom FPGA-Testboard 

Empfängt 1 Startbit, 8 Datenbits, 1 Stopbit 

Programmiert als Zustandsautomat 

Synchronisation mit ankommenden Startbit 

Angeschlossen am RS232-Modul 




RS232rx Osszilloskopaufnahme 




RS232tx 

Ermöglicht das Senden von Bits über den RS232-Port 

Mögliche Baudraten: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 

Momentan verwendete Baudrate: 115200 

Baudratenerzeugung aus 50Mhz Clock vom FPGA-Testboard 

Sendet 1 Startbit, 8 Datenbits, 1 Stopbit 

Programmiert als Ablaufdiagramm 

Synchronisiert sich mit dem Versenden eines Startbits 





RS232tx Osszilloskopaufnahme 




CRC 

Berechnet CRC-Hash zu 8-Bit Datum 

CRC-Polynom: 0x2C 

Hamming-Distanz bei 16-Bit Datum: 3 



RS232 



Herzstück des RS232-Ports 

Verwaltet Anfragen an und vom RS232-Port 

Ist direkt mit dem IO-Controller verbunden 

Arbeitet auf Byte-Ebene, Bits werden vom RS232tx und RS232rx 

Modul verarbeitet 


IO-Controller 



Zentrale BUS Verwaltungseinheit 

Verwaltet Kommunikation zwischen: 

- Prozessor - Speicher 

- Prozessor - RS232-Port 

- Prozessor - IO-Modulen 

- RS232-Port - Speicher 




IO-Controller Blockschaltbild 




IO-Bus 

Zwei Eingehende Leitungen 

io out, Datenbus vom Modul zum IO-Controller, 16 Bit breit 

io ready, Signalleitung vom Modul zum IO-Controller, 1 Bit breit 

Vier Ausgehende Leitungen 

io read, Signalleitung vom IO-Controller zum Modul, 1 Bit breit 

io write, Signalleitung vom IO-Controller zum Modul, 1 Bit breit 

io in, Datenbus vom IO-Controller zum Modul, 1 Bit breit 

io adr, Adressbus vom IO-Controller zum Modul, 1 Bit breit 


Möglichkeiten 


⊲ Speicher- und IO-Interface für einen FPGA ⊲ FPGA-Testboard 23 / 50 




LED-Modul 

Zeigt untere 7 Bits eines 16-Bit breiten Datums auf den LEDs an 

Speichert intern den angezeigten Wert 

Anzeige kann ausgelesen werden 




7-Segment-Modul 

Zeigt Datum als Hexadezimalwert auf vier 7-Segment-Anzeigen an 

Speichert intern den angezeigten Wert 

Anzeige kann ausgelesen werden 




Switches-Modul 

Liest Zustand von den acht Schaltern auf dem FPGA-Testboard aus 

Die Schalterzustände werden in den unteren acht Bit gespeichert 


Gliederung 


⊲ Assembler-Compiler/-Debugger und Memory-Viewer 27 / 50 

1 Einleitung 











⊲ Assembler-Compiler/-Debugger und Memory-Viewer ⊲ Compiler/Debugger 28 / 50 

Einleitung - Assemblersprache 

Die Assemblersprache bietet: 

- Arithmetische Befehle 

- Bit Operationen 

- Sprünge 

- Tests auf ”0” 

- Labels 

- (Mehrzeilige)Kommentare 

- Breakpoints 

Beispiel: 

Multiplikation 3 * 4: 

1 l d r1 ,#0 

2 l d r2 ,#3 

3 l d r5 ,#1 

4 l d r6 ,#4 

5 

6 l o o p : 

7 !BREAK! 

8 add r1 , r2 , r 1 

9 sub r6 , r6 , r 5 

10 j n z #loop , r 6 

11 jmp #ende 

12 ende : 

13 h a l t 




Einleitung - Compiler 

Ein Compiler übersetzt Sprache A nach Sprache B, in diesem Fall: 

Assemblerprogramm ⇒ Maschinencode 

Er durchläuft dabei mehrere Schritte: 

1 Lexikalische Analyse (Überprüfung von Mustern) 

2 Syntaktische Analyse (Überprüfung der Grammatik) 

⊲ Muster und Grammatik definieren die gesamte Assemblersprache 

und deren Möglichkeiten 

Diese werden in der erweiterten Backus-Naur Form definiert (EBNF) 

Optional führt der Compiler zusätzlich zu den obigen Schritten 

Aktionen aus 




Muster der Assemblersprache 

1 MINUS : ’− ’ ; 

2 DIGIT : ( ’ 0 ’ . . ’ 9 ’ ) ; 

3 HEXDIGIT : ( ( ’A ’ . . ’ F ’ | ’ a ’ . . ’ f ’ ) | DIGIT ) ; 

4 LETTER : ( ’ a ’ . . ’ z ’ | ’A ’ . . ’Z ’ ) ; 

5 REGISTER : ( ’ r ’ | ’R ’ ) ( ’ 0 ’ . . ’ 7 ’ ) ; 

6 CHAR: ( ( LETTER) | ( DIGIT ) | ’ ’ | ’ $ ’ | ’#’ ) ; 

7 IDENT : ( ( LETTER) (CHAR) ∗) ; 

8 NUMBER: ( DIGIT ) +; 

9 HEXNUMBER: ( ’ 0 x ’ ( HEXDIGIT )+) ; 

10 LABEL : IDENT ’ : ’ ; 

11 WHITESPACE : ( ’ ’ | ’ \ t ’ | ’ \ f ’ )+ { $ c h a n n e l=HIDDEN ; } ; 

12 NEWLINE : ( ’ \n ’ | ’ \ r ’ )+ ; 

13 SLCOMMENT: ’ // ’ . ∗ NEWLINE ; 

14 MLCOMMENT: ’ /∗ ’ . ∗ ’ ∗/ ’ NEWLINE ; 

15 BREAKPOINT : ’ !BREAK! ’ ; 

Neu eingebaut im Zuge der Bachelorarbeit: 

MLCOMMENT - Mehrzeilige Kommentare 

BREAKPOINT - Abbruchpunkte für den Debugger 




Grammatik der Assemblersprache 

Ein Beispiel aus der Grammatik, der STORE Befehl: 

Dieser definiert alle Möglichkeiten, den STORE Befehl zu verwenden 




Grammatik der Assemblersprache 

So erkennt der Compiler den STORE Befehl st r1, r2: 

Dieser Befehl speichert den Inhalt des Registers 2 in Register 1 




Aktionen 

Je nach Muster oder Regel werden Aktionen ausgeführt: 

Werte aus Tabellen/Arrays lesen 

Werte in Tabellen/Arrays schreiben 

Berechnungen durchführen 

Ausgaben bzw Eingaben verarbeiten 




Aktionen 

Je nach Muster oder Regel werden Aktionen ausgeführt: 

Werte aus Tabellen/Arrays lesen 

Werte in Tabellen/Arrays schreiben 

Berechnungen durchführen 

Ausgaben bzw Eingaben verarbeiten 

Welche Aktion jeweils ausgeführt wird, hängt ab von: 

Erkannte Regeln 

Aktueller Schritt des Compilers 

Status des Debuggers 




Schritte des Compilers 

Der Compiler führt 3 Schritte durch, um ein Assemblerprogramm zu 

kompilieren: 

1 Die Label-Tabelle für die folgenden Schritte aufbauen 

2 Das Befehls-Array für den Debugger aufbauen 

3 Den Maschinencode in das Speicher-Array schreiben 

⊲ Nach Schritt 3 kann dann das Speicher Array in ein Memoryfile 

(*.mem) geschrieben und an den FPGA übertragen werden 

Optional kann der Debugger nach Schritt 3 aufgerufen werden 




Schritte des Compilers 




Aktionen des Compilers - Schritt 3 

Ein Ausschnitt des LOAD Befehls: 

1 l d : 

2 ( ’ l d ’ | ’LD ’ ) ( r d e s t=REGISTER ’ , ’ r s r c 1=REGISTER 

3 { I n s t r u c t i o n S e t . memory [ a d r e s s ] = I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( ” 

LD” ) 

4 + I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( ”REG IMM” ) 

5 + I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( $ r d e s t . t e x t ) 

6 + I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( ”REG OFFSET” ) 

7 + I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( $ r s r c 1 . t e x t ) ; 

8 i f ( P r e f e r e n c e s . hexa == t r u e ) 

9 I n s t r u c t i o n S e t . memory [ a d r e s s ] = I n s t r u c t i o n S e t . 

opCodeToHex ( I n s t r u c t i o n S e t . memory [ a d r e s s ] ) ; } 

10 | 

11 . 

12 . 

13 . 




Aktionen des Compilers - Schritt 3 

Ein Ausschnitt des LOAD Befehls: 

1 l d : 


3 { I n s t r u c t i o n S e t . memory [ a d r e s s ] = I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( ” 

LD” ) 

4 + I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( ”REG IMM” ) 

5 + I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( $ r d e s t . t e x t ) 

6 + I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( ”REG OFFSET” ) 

7 + I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( $ r s r c 1 . t e x t ) ; 

8 i f ( P r e f e r e n c e s . hexa == t r u e ) 

9 I n s t r u c t i o n S e t . memory [ a d r e s s ] = I n s t r u c t i o n S e t . 

opCodeToHex ( I n s t r u c t i o n S e t . memory [ a d r e s s ] ) ; } 

10 | 

11 . 

12 . 

13 . 

Durchführung: 

ld r1,r2 −−−−−→ 

Compiler 

8842 




Debugger 

Erleichtert die Suche der Fehlerquelle (Prozessor oder 

Assemblerprogramm) 

Dient zur Fehlerüberprüfung des Assemblerprogramms 

Kann optional nach dem Kompilieren durchgeführt werden 

Simuliert den entworfenen Prozessor im Hardwarepraktikum 




Debugger 

Erleichtert die Suche der Fehlerquelle (Prozessor oder 

Assemblerprogramm) 

Dient zur Fehlerüberprüfung des Assemblerprogramms 

Kann optional nach dem Kompilieren durchgeführt werden 

Simuliert den entworfenen Prozessor im Hardwarepraktikum 

Neu im Zuge der Bachelorarbeit: 

Verarbeitet Ein- und Ausgaben 

Kann mit Breakpoints an gezielten Stellen angehalten werden 

Liefert Ausgabedateien für spätere Betrachtung 

Komplett in grafischer Oberfläche bedienbar 




Aktionen des Debuggers 

Erneut ein Ausschnitt des LOAD Befehls: 

1 l d : 


3 { I n s t r u c t i o n S e t . r e g i s t e r s [ I n t e g e r . p a r s e I n t ( I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode 

( $ r d e s t . t e x t ) , 2 ) ] = 

4 I n s t r u c t i o n S e t . r e g i s t e r s [ I n t e g e r . p a r s e I n t ( I n s t r u c t i o n S e t . getOpCode ( 

$ r s r c 1 . t e x t ) , 2 ) ] ; } 

5 | 

6 . 

7 . 

8 . 

Lädt den Inhalt eines Registers in ein anderes Register 

Wird erreicht durch Beschreiben des Register-Arrays 



⊲ Assembler-Compiler/-Debugger und Memory-Viewer ⊲ Benutzeroberfläche 39 / 50 

Einleitung - Benutzeroberfläche 

Bietet dem Anwender eine Schnittstelle zur Verwendung des 

Compilers/Debuggers 

Sollte Folgendes bieten: 

- Intuitiv 

- Übersichtlich 

- Einfach zu bedienen 




Einleitung - Benutzeroberfläche 

Bietet dem Anwender eine Schnittstelle zur Verwendung des 

Compilers/Debuggers 

Sollte Folgendes bieten: 

- Intuitiv 

- Übersichtlich 

- Einfach zu bedienen 

⊲ Realisierbar durch Konsole oder grafische Oberfläche 




Gegenüberstellung 

Konsole 

Vorteile: 

Schlank und ressourcenarm 

Wenig Abhängigkeiten 

Überall ausführbar 

Nachteile: 

Weniger Übersicht 

Kein integrierter Editor 

Nicht alle Funktionalitäten 

verfügbar 

Grafische Oberfläche 

Vorteile: 

Übersichtlich 

Einfach und intuitiv zu bedienen 

Bietet alle Funktionalitäten 

Nachteile: 

Benötigt grafische Abhängigkeiten 




Gegenüberstellung 

Konsole 

Vorteile: 

Schlank und ressourcenarm 

Wenig Abhängigkeiten 

Überall ausführbar 

Nachteile: 

Weniger Übersicht 

Kein integrierter Editor 

Nicht alle Funktionalitäten 

verfügbar 

Grafische Oberfläche 

Vorteile: 

Übersichtlich 

Einfach und intuitiv zu bedienen 

Bietet alle Funktionalitäten 

Nachteile: 

Benötigt grafische Abhängigkeiten 

⊲ Beide Varianten realisiert 




Grafische Oberfläche - Layout 

In 3 Registerkarten aufgeteilt: 

- Assembler Editor 

- Assembler Debugger 

- Memory-Viewer 




Grafische Oberfläche - Layout 

In 3 Registerkarten aufgeteilt: 

- Assembler Editor 

- Assembler Debugger 

- Memory-Viewer 

⊲ Bedingt durch einen Arbeitsablauf im Hardwarepraktikum 




Arbeitsablauf im Hardwarepraktikum 


Assembler Editor 




Assembler Debugger 




Memory-Viewer 






Praktisches Beispiel - Rudimentärer Taschenrechner 

Es werden zwei Zahlen vom Computer eingelesen 

Fallentscheidung für Operation auf Zahlen 

- Switch 0: Addieren 

- Switch 1: Subtrahieren 

- Switch 2: Multiplizieren 

Ergebnis wird auf 7-Segment-Anzeige und zusätzlich am PC dargestellt 

Anzahl der Durchläufe wird auf den LEDs dargestellt 

Fallentscheidung für Programmende 

- Switch 7: Programmausführung beenden 

- Sonst: Zahlen vom Computer einlesen ... 




Praktisches Beispiel - Rudimentärer Taschenrechner 

Es werden zwei Zahlen vom Computer eingelesen 

Fallentscheidung für Operation auf Zahlen 

- Switch 0: Addieren 

- Switch 1: Subtrahieren 

- Switch 2: Multiplizieren 

Ergebnis wird auf 7-Segment-Anzeige und zusätzlich am PC dargestellt 

Anzahl der Durchläufe wird auf den LEDs dargestellt 

Fallentscheidung für Programmende 

- Switch 7: Programmausführung beenden 

- Sonst: Zahlen vom Computer einlesen ... 

⊲ Vorführung 


Gliederung 


⊲ Zusammenfassung und Ausblick 47 / 50 

1 Einleitung 












Was wurde erreicht 

Hardwareseite: 

Load / Store Befehle sind möglich 

Kommunikation über RS232-Schnittstelle 

Verwendung einiger Sensoren und Aktoren auf dem FPGA-Testboard 


Assembler-Programmen ist gegeben 




Was wurde erreicht 

Hardwareseite: 

Load / Store Befehle sind möglich 

Kommunikation über RS232-Schnittstelle 

Verwendung einiger Sensoren und Aktoren auf dem FPGA-Testboard 


Assembler-Programmen ist gegeben 

Softwareseite: 

Neuentwicklung der verwendeten Programme als Gesamtprogramm 

Neue Oberfläche, grafisch wie auf Konsole 

Funktionserweiterungen 

Unterstützung mehrerer Betriebssysteme 

Möglichkeiten zur Erweiterung 




Mögliche Erweiterungen 

Weitere IO-Module wie VGA-Modul 

Weitere Kommunikationsmodule für die Computer Schnittstelle 

(z.b. USB) 

Darstellung der Sensoren und Aktoren des FPGAs am PC 

(z.b. LEDs) 


Fragen 



Irgendwelche Fragen ? 


Fragen 



Irgendwelche Fragen ? 

⊲ Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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