Перейти к основному содержимому

Обзорный файл по лабораторным семестра

Автор: Н.В. Ефремов
Название: Создание и исследование процессорной системы на кристалле ПЛИС

Оглавление​

Введение​

Одной из профессиональных компетенций, которыми должны овладеть студенты, освоившие программу бакалавриата по направлению 09.03.01, является умение разрабатывать аппаратные и программные компоненты информационно вычислительных систем.

В формирование этой компетенции существенный вклад вносит дисциплина «Организация ЭВМ и систем», изучаемая в шестом и седьмом семестрах. Для выработки практических навыков у студентов предусмотрено выполнение цикла лабораторных работ в компьютерном классе, оборудованном учебно-отладочными стендами «Altera DE 2-70» и «Intel DE 2-115».

Условные обозначения и сокращения​

  • АЛУ – арифметико-логическое устройство
  • АСК – архитектура системы команд
  • ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема
  • ПО – программное обеспечение
  • САПР – система автоматизации проектирования
  • ЭВМ – электронная вычислительная машина
  • IMP – Intel Monitor Programm – приложение для реализации и отладки процессорных систем
  • NIOS II – 32-разрядный процессор второго поколения
  • LCD – Liquid Crystal Display - жидкокристаллический дисплей
  • VGA – Video Graphics Array - компонентный интерфейс
  • UART – Universal Asynchronous Receiver Transmitter
  • RISC – Reduced Instruction Set Computer

Лабораторная работа 1​

Учебно-отладочный стенд «Intel DE 2-115». Приложение Intel Monitor Program (IMP) для работы со стендом​

Цель работы: Приобретение навыков, необходимых для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Организация ЭВМ и систем» с использованием стендов Intel DE 2-115 с помощью приложения Intel Monitor Program (IMP).

Объекты изучения:

  • учебно-отладочный стенд Intel DE 2-115
  • приложение Intel Monitor Program (IMP)
  • процессорная система DE 2-115 Media Computer и её периферийные устройства

Планируемые результаты обучения:

После выполнения этой работы студенты будут знать:

  • Какие компоненты включены в состав учебно-отладочного стенда DE2-115
  • Какие ресурсы содержатся в кристалле ПЛИС

Смогут:

  • Подключать учебно-отладочный стенд DE 2-115 к инструментальному компьютеру
  • Создавать новые проекты в приложении IMP
  • Загружать процессорную систему в кристалл ПЛИС стенда
  • Определять состояния кнопок и ползунковых переключателей и управлять индикаторами

Порядок выполнения лабораторной работы:

Часть 1. Подключение стенда и запуск приложения IMP​

  1. Подключите стенд к сети питания с переменным напряжением 220 вольт
  2. Подключите стенд к инструментальному компьютеру, используя крайний слева разъем USB (типа В)
  3. Подайте питание в стенд, нажав красную кнопку в верхней левой части стенда
  4. Запустите приложение Intel Monitor Program (IMP)

Часть 2. Создание нового проекта в IMP​

  1. В меню File приложения IMP выполните команду New Project
  2. Выберите процессорную систему «DE2-115 Media Computer»
  3. Определите тип используемой программы (Assembly Program)
  4. Определите исходные файлы используемой в проекте программы
  5. Определите параметры системы
  6. Определите установки памяти процессорной системы

Часть 3. Реализация процессорной системы в учебном стенде​

  1. Загрузите конфигурационный файл процессорной системы в кристалл ПЛИС
  2. Загрузите программу в память процессорной системы
  3. Запустите программу и проверьте правильность её выполнения

Часть 4. Использование приложения IMP для работы с портами ввода-вывода​

  1. Откройте вкладку Memory основного окна IMP
  2. Наблюдайте состояние переключателей и кнопок стенда
  3. Управляйте зелеными и красными светодиодами
  4. Управляйте сегментами индикаторов шестнадцатеричной цифры

Отчетные материалы:

Отчетные материалы должны содержать:

  • Цель лабораторной работы
  • Материалы, связанные с подготовкой к работе
  • Информацию по выполнению каждого пункта задания
  • Краткое заключение

Лабораторная работа 2​

Архитектура системы команд процессора NIOS II​

Цель работы: Изучение архитектуры системы команд (АСК) процессора NIOS II, приобретение навыков создания новых программных компонентов и их отладки.

Объекты изучения:

  • Архитектура системы команд процессора «NIOS II»
  • Типы и форматы его команд
  • Используемые способы адресации операндов
  • Форматы представления числовой и символьной информации

Порядок выполнения лабораторной работы:

Часть 1. Использование приложения IMP для компиляции, загрузки и отладки программы​

  1. Откройте проект, созданный в первой лабораторной работе
  2. Выполните компиляцию и загрузку новой программы
  3. Найдите в ОП загруженную программу и исходные данные

Часть 2. Представление числовой информации в процессорной системе. Форматы команд​

  1. Измените переменную N, задающую количество чисел в списке
  2. Внесите изменения в программу для вывода найденного максимального числа на красные светодиоды
  3. Найдите в ОП команду условного перехода bge и исследуйте её машинный код

Часть 3. Представление символьной информации в процессорной системе​

  1. Добавьте в исходный код программы текстовую строку с вашей фамилией, именем и отчеством
  2. Найдите в ОП добавленную текстовую строку

Часть 4. Раздельное размещение кода и данных в памяти процессорной системы​

  1. С помощью директивы .data локализуйте область данных программы в отдельной секции
  2. Экспериментально определите, как работает директива ассемблера .org

Часть 5. Форматы чисел​

  1. Внесите изменения в программу для представления чисел в формате полуслов
  2. Внесите изменения в программу для представления чисел в формате байт

Отчетные материалы:

Отчетные материалы должны содержать:

  • Цель лабораторной работы
  • Материалы, связанные с подготовкой к работе
  • Информацию по выполнению каждого пункта задания
  • Разбор формата команд условного и безусловного переходов
  • Листинги подготовленных и отлаженных программ

Лабораторная работа 3​

Представление символьной информации в процессорной системе и вывод её на LCD дисплей​

Цель работы: Изучить, как символьная информация представляется в памяти процессорной системы, директивы ассемблера для работы с символьной информацией, научиться выводить её на LCD дисплей стенда.

Объекты изучения:

  • жидкокристаллический LCD дисплей, входящий в состав стенда
  • контроллер LCD дисплея
  • приложение Intel Monitor Program (IMP)

Порядок выполнения лабораторной работы:

Часть 1. Исследование команд управления LCD дисплеем​

  1. Выполните очистку LCD-дисплея
  2. Отправьте в регистр данных LCD порта ASCII код заглавной буквы вашей фамилии
  3. Экспериментально определите возможности команды настройки режима вывода текста

Часть 2. Программное управление LCD дисплеем​

  1. Скомпилируйте программу lab_lcd.s и загрузите в память процессорной системы
  2. Выполните программу по шагам, осмысливая производимые ею действия

Часть 3. Вывод символьной информации на LCD в режиме бегущей строки​

  1. Модифицируйте программу таким образом, чтобы информация на экране LCD выводилась в режиме бегущей строки

Часть 4. Создание специализированных символов​

  1. Создайте изображение восьми специализированных символов в формате 8 на 5 клеток
  2. Выполните кодирование символов костяшек и буквы греческого алфавита

Часть 5. Вывод специализированных символов на экран LCD в заданной последовательности с использованием кнопок​

Часть 6. Экспериментальное определение кодов букв русского алфавита​

  1. Используя директиву .asciz, определите коды букв русского алфавита

Часть 7. Вывод русскоязычного текста на экран LCD​

  1. Выведите на экран LCD ваши фамилию, имя и отчество с использованием прописных букв русского алфавита

Отчетные материалы:

Отчетные материалы должны содержать:

  • Цель лабораторной работы
  • Материалы, связанные с подготовкой к работе
  • Информацию по выполнению каждого пункта задания
  • Подготовленные и отлаженные фрагменты программ
  • Краткое заключение

Лабораторная работа 4​

Выделенный доступ к памяти в RISC процессорах. Тестирование компонентов ОП в процессорной системе​

Цель работы: Изучить, каким образом выполняется взаимодействие процессора с ОП и с устройствами ввода-вывода, уяснить особенности команд load/store, выполнить тестирование всех компонентов ОП процессорной системы.

Объекты изучения:

  • команды для взаимодействия с ОП и портами ввода-вывода load/store
  • компоненты оперативной памяти в процессорной системе
  • приложение Intel Monitor Program (IMP)

Порядок выполнения лабораторной работы:

Часть 1. Выполнение команд сохранения (store) в процессорной системе​

  1. Напишите фрагмент программы, которая будет сохранять слово в ОП
  2. Модифицируйте программу для обращения к памяти полусловами
  3. Модифицируйте программу для обращения к памяти байтами

Часть 2. Выполнение команд загрузки (load) в процессорной системе​

  1. Модифицируйте программу для выполнения чтения из последовательных адресов ОП

Часть 3. Тестирование всех типов оперативной памяти​

  1. Выполните программу, используя в качестве ОП статическую память
  2. Проверьте правильность работы программы, используя в качестве ОП динамическую память
  3. Проверьте правильность работы программы, используя в качестве ОП память, реализованную внутри кристалла

Отчетные материалы:

Отчетные материалы должны содержать:

  • Цель лабораторной работы
  • Материалы, связанные с подготовкой к работе
  • Информацию по выполнению каждого пункта задания
  • Подготовленные и отлаженные фрагменты программ
  • Краткое заключение

Лабораторная работа 5​

Взаимодействие программных компонентов друг с другом. Использование стека, подпрограмм и вложенных процедур​

Цель работы: Изучить, каким образом выполняется взаимодействие программных компонентов друг с другом; уяснить, как работает стек и как в процессорной системе можно использовать исходные данные, размещенные в отдельном файле.

Объекты изучения:

  • стек
  • команды процессора call, callr, ret
  • утилиты Memory fill и Load file into memory приложения IMP

Порядок выполнения лабораторной работы:

Часть 1. Передача параметров через регистры процессора​

  1. Оформите часть кода в виде подпрограммы с именем Max
  2. Оформите вывод результата на красные светодиоды в виде самостоятельной процедуры Out_on_LEDR

Часть 2. Использование вложенных подпрограмм​

  1. Модифицируйте программу так, чтобы вывод найденного числа на светодиоды выполнялся внутри подпрограммы Max

Часть 3. Передача параметров через стек​

  1. Модифицируйте программу так, чтобы передача параметров функции Max осуществлялась через стек

Часть 4. Использование файлов с исходными данными в IMP​

  1. Создайте файл и поместите в него список чисел
  2. Загрузите файл в оперативную память

Часть 5. Компоновка программы из нескольких файлов​

  1. Поместите исходный код подпрограмм Max и Out_on_LEDR в отдельные файлы

Часть 6. Перемещение кода программы в ОП​

  1. Напишите процедуру Copy, которая выполняет копирование одной области ОП в другую
  2. Напишите программу Main, которая будет копировать секцию кода

Отчетные материалы:

Отчетные материалы должны содержать:

  • Цель лабораторной работы
  • Материалы, связанные с подготовкой к работе
  • Информацию по выполнению каждого пункта задания
  • Написанные фрагменты программ
  • Зарисовку ОП с отображением программных компонентов
  • Краткое заключение

Лабораторная работа 6​

Ввод/вывод информации в процессорной системе, в том числе с использованием прерываний​

Цель работы: Изучить возможные способы ввода/вывода информации в процессорной системе.

Объекты изучения:

  • подсистема ввода-вывода процессора «NIOS II»
  • приложение Intel Monitor Program (IMP)

Порядок выполнения лабораторной работы:

Часть 1. Программно управляемый ввод с переключателей и вывод на светодиоды​

  1. Напишите программу на языке ассемблер для ввода с переключателей и вывода на светодиоды

Часть 2. Ввод информации с переключателей с опросом готовности​

  1. Модифицируйте программу так, чтобы ввод очередного числа осуществлялся только после отпускания кнопки KEY3

Часть 3. Ввод информации с переключателей в режиме прерывания​

  1. Используйте вместо опроса готовности формирование прерывания, которое инициируется нажатием кнопки KEY3

Часть 4. Реализация приоритетных прерываний​

  1. Модифицируйте программу так, чтобы по кнопке KEY3 осуществлялось сложение, по KEY2 - вычитание, по KEY1 - обнуление суммы

Часть 5. Программное прерывание trap и невыполнимые команды​

  1. Вставьте в текст программы команду trap
  2. Экспериментально определите поведение программы при выполнении команды mul

Отчетные материалы:

Отчетные материалы должны содержать:

  • Цель лабораторной работы
  • Материалы, связанные с подготовкой к работе
  • Информацию по выполнению каждого пункта задания
  • Написанные фрагменты программ
  • Краткое заключение

Приложения​

Приложение А. Форматы команд процессора Nios II​

Машинные команды кодируются 32-разрядными словами. В процессоре Nios II используется 3 формата команд:

  • I-тип. Поля A и B, размером 5 бит, используются для указания регистров. Для непосредственных операндов используется поле IMMED16
  • R-тип. Поля A, B и C, размером 5 бит, используются для указания регистров. Поле OPX используется для расширения кода операций
  • J-тип. Данный формат используется для инструкций вызова подпрограмм Call

Приложение Б. Команды load/store​

Команды загрузки/сохранения предназначены для пересылки данных между регистрами общего назначения процессора и оперативной памятью (устройствами ввода/вывода). Они относятся к формату I-типа.

Основные команды:

  • ldw (load word) – загрузка слова из ОП
  • stw (store word) – сохранение слова в ОП
  • ldb (load byte) – загрузка байта со знаком
  • ldbu (load byte unsigned) – загрузка байта без знака
  • ldh (load halfword) – загрузка полуслова со знаком
  • ldhu (load halfword unsigned) – загрузка полуслова без знака

Примечание: Полные листинги программ из приложений следует скопировать из исходного документа вручную, так как они содержат большой объем кода.

Список источников​

  1. Интернет ресурс. DE2-70 Development and Education Board
  2. Интернет ресурс. DE2-115 Development and Education Board
  3. Ефремов Н.В., Бородин А.А. Инструментальные средства проектирования и отладки цифровых систем на программируемом кристалле фирмы «Altera». Учебное пособие. – М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2012.- 123с.
  4. Описание ПЛИС Cyclon II от производителя
  5. Описание ПЛИС Cyclon IV от производителя
  6. Описание процессорной системы DE 2-70 Media Computer от производителя
  7. Описание процессорной системы DE 2-115 Media Computer от производителя
  8. Описание QUARTUS II от производителя
  9. Ефремов Н.В. Введение в систему автоматизированного проектирования Quartus II. Учебное пособие. – М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2011.-147с.
  10. Описание IMP от производителя
  11. Описание АМР. Мануал