Микроконтроллер своими руками

Пытаясь освоить контроллеры и уже владея навыками программирования ПЛИС, мне пришла в голову дурная мысль. Пришла, постучала и вошла. Всем тем, к кому приходят дурные мысли, и кому интересно как с этим явлением справляются другие, посвящается.

Возникла идея нарисовать свой контроллер, не ограниченный по количеству периферии, ОЗУ и другим параметрам, кроме ёмкости ПЛИС. Скажем контроллер содержит 5 UARTов, а позарез нужен шестой, придётся изворачиваться. А зачем, если можно просто щёлкнуть мышкой и добавить необходимое? Или наоборот, задачка хорошо решается на пяти контроллерах с разрядностью 5, 32, 20, 32 и 20 с непредсказуемым количеством линий связи между ними. Жалко использовать пять 32 разрядников, ресурс всегда жалко, а совмещать две подзадачи на одно ядро – некрасиво, что ли.

Время отклика на прерывание в контроллерах достаточно велико. Да, контроллер прерываний мониторит входы (почему-то ограниченные по количеству) независимо от ядра. Но прежде чем начать выполнение кода программы по обработке прерывания, скажем, читать порт, требуется сохранить регистры общего назначения, а затем их ещё и восстановить. А это не один такт на пустое с точки зрения логики программы переписывание регистров в стек и возврат этих же значений обратно. Оно конечно вписывается в понятие реального времени, но ведь можно же делать это мгновенно: выполнялся код с низким приоритетом, на следующем же такте по причине резкой необходимости начинает выполнятся высокоприоритетное прерывание по таймеру, а через такт выполняется код по обработке внешнего потока данных, ибо там совсем всё быстро надо.

Конечно, все эти проблемы надуманы и решаются и легко и просто. Но дурная мысль не ищет таких решений, она просто бродит в переполненном пространстве сознания и подталкивает сделать нестандарт. А, если у молодого инженера отпуск, то прости жена и дети, но папа не «опять сидит за компьютером», а профессионально растёт. Тем более иногда хочется выполнять не кем-то придуманные задачки, а свои, полностью свои.

image

Рис. 1. Таймеры. Добавляй сколько хочешь. Обратите внимание на грамматическую ошибку. Стыдно, но не хочется Builder устанавливать для перекомпиляции.

Разрешите представить вам контроллер, архитектура которого, не то чтобы отличается от всех прочих, скорее она не принята на вооружение. Уже давно забыт список прочитанной перед началом работ литературы, использованы мысли многих людей из разных компьютерных эпох, простите меня мои забытые учителя. Зато вам не придётся от меня открещиваться. Да и денег это не пронесло, поэтому и делиться нечем.

Сразу скажу, что контроллер состоялся, прошит в Спартаны всех поколений и успешно трудится на просторах СНГ и одной стране Прибалтики. Сейчас бы многое было сделано по другому, но любые изменения мне уже ленивы и, что случилось, то случилось. А случилось вот что.

— Разрядность контроллера от 1 до 32, со знаком или без оного. (Не помню проверял ли я работу на малых разрядностях). Используется дополнительный код.
— Количество портов ввода/вывода ни чем не ограничена, разрядность ограничена разрядностью ядра.
— Количество таймеров так же не ограничено. На каждый таймер можно установить свой обработчик прерывания.
— Обработчик прерываний с бесконечным количеством входов, каждый вход имеет приоритет от 0 до 99 (ограничение по причине «и так большого числа»). Возможность запрещать все прерывания или низкоприоритетные только.
— Количество последовательных портов типа UART неограниченно, разрядность ограничена разрядностью ядра.
— Делитель частоты сделан плохо и неправильно, но исправно выдаёт любую частоту для любой периферии или просто наружу контроллера.
— Сопроцессор. О нём ниже.

То есть мы имеем контроллер, поддерживающий основные операции арифметики и прочего изменения битов в словах (плюс, минус, сдвиг, побитовая логика...). Так же он обращается к внутренней памяти и хранит код программы так же внутри себя. Память используется блочная, именно она является платформозависимой и в настройках программы обязательно нужно указать какая микросхема будет носителем контроллера. Все операции по любому направлению действий выполняются за один такт, это может и не всегда хорошо, но упростило проектирование архитектуры. Исключением является целочисленный делитель, функции которого реализованы в сопроцессоре, деление выполняется медленно, но уверенно. Алгоритм деления был выбран самый простой – побитный.

Хотелось бы рассказать про код команд, но сам не помню из чего он состоит. Исходя из принципа «не использовать то, что не используется» даже длинна кода команды является величиной не константной, тем более его содержимое. Скажем, если в компилируемой программе встречается 14 команд, то каждая команда кодируется 4 битами, если используется 18 команд – выделяется пятый бит. Плюс к каждой команде добавляется бит длинны, если он равен 0, то команда одинарная, если 1 – двойная, или наоборот, это не важно. Двойная команда нужна для операций, содержащих адрес ОЗУ или ПЗУ. Добавим к этому то, что шины адреса так же имеют не константные длины, и получим полный бардак в коде команд, рассматривать его никаким дизассемблером смысла нет, как собственно и ассемблер в этом контроллере.

Форт – вот тот язык, который позволил мне реализовать эти странные идеи. Форт прост и низкоуровневый. Писать компилятор данного языка – одно удовольствие. Ну, конечно, все конструкции языка не поддерживаются, только основные по пересылке данных и их изменении.

image
Рис. 2. Руководство достаточно скромное. Нескромное так и не написано.

image
Рис. 3. Вторая часть руководства. Не знаю почему, но окно расширить нельзя. Есть ещё и третья часть, но уж совсем скучная.

И, естественно, мы имеем стековый контроллер. То есть Форт функционирует в своей естественно среде – в стеке, в аппаратном стеке, а не медленном программном. «Всё за такт!» — второй девиз проекта. Аппаратный стек позволил при переходе в функции или вызове прерывания сразу приступать к выполнению команд обработки данных, без необходимости сохранять контент прерванного процесса. «Новые» данные просто помещаются в стек сверху, «старые» уходят в глубь и прекрасно там сохраняются. Затем «новые» данные, поучаствовав в разных операциях, благополучно переходят в ОЗУ или другие места, а «старые» выталкиваются на вершину. При возврате в прерванный участок кода никто ничего не заметит. Адрес прерванного кода сохраняется в другом стеке, и максимальное количество прерванных процессов зависит только ото глубины Стека Возвратов. Это величина настраивается при компиляции, хоть бы и «очень большое число». Параметры в функции передаются так же через стек.

Stackcpu – именно так и называется контроллер, почему-то латиницей, хотя писать код можно и кириллицей. Что я и делаю, приведу пример функции «меняем_биты_в_слове»:

:меняем_биты_в_слове 
	читаем_из_нужного_порта, 
	меняем_прочитанное_из_нужного_порта, 
	записываем_в_требуемую_ячейку_памяти;


Где: «читаем_из_нужного_порта», «меняем_прочитанное_из_нужного_порта», «записываем_в_требуемую_ячейку_памяти» — функции, выполняющие определённые действия.

Ну не псих ли я красиво ли? Приведу ещё доказательства, программа управления светофором:

			\\main 
BEGIN
	зелёный потушить, жёлтый потушить, красный зажечь.
	пятьдесят секунд ждём…
	зелёный потушить, жёлтый зажечь, красный потушить.
	четыре секунды ждём…
	зелёный зажечь, жёлтый потушить, красный потушить.
	сорок секунд ждём…
	зелёный уменьшить_яркость_до_нуля, жёлтый гори, а красный не_гори.
	четыре секунды ждём…
0 UNTIL		\бесконечный цикл


Ну что, псих красиво? Третий принцип проекта: «Литературный язык в управление электроникой!» Хотя, как показала практика, писать так программы довольно утомительно. Для знатоков Форт сообщу, что точку мой компилятор воспринимает как разделитель, и запятую тоже. Конечно, лучше использовать язык С, но компилятор С мне не по зубам, а использовать сторонние компиляторы архитектура не позволяет.

image
Рис. 4. Среда разработки с отчётом компилятора и линковщика.

Сколько ёмкости FPGA занимает контроллер? Да кто ж его знает. Всё зависит от разрядности числа, выбранной периферии, ещё чего-то, и от текста программы. В контроллере не будет умножителя, если он не встречается в программном коде, или не будет делителя, если его не использует программист. Под программистом я подразумеваю себя, так как других программистов данного контроллера не существует (принцип «не использовать тем, кто не использует»). По блочной памяти для ОЗУ данных и ПЗУ команд: минимум два блока, максимум вся блочная память кристалла.

Максимальная частота работы высчитывается только опытным путём, под конкретную архитектуру. Один из моих 24 разрядных контроллеров не работал на частоте 48 Mhz в Spartan2, на частоте 40Mhz заработал. В Spartan6 на сотне Mhz работал 32 разрядный. А может и на паре сотен заработает, ничего в нём такого сложного нет.

image
Рис. 5. Вот такой код увидит процессор. Обратите внимание, одна команда FORTH – это одна команда ядра процессора – один системный такт.

Первый PS: упомяну одну возможность сопроцессора – фильтр. Обычный БИХ фильтр. Но вот, что необычного в нём, так это то, что он использует плавающую точку. Не то что б в этом был какой-то смысл, просто прочитал какую-то книжку про форму представления чисел, и решил: ерунда интересна эта ваша плавающая точка, сделаем.

image
Рис. 6. Моделирование результатов работы фильтра. Высчитывается логика кода VHDL с точностью до битика.

Так же были планы по превращения проекта в систему на кристалле: добавление различных, писанных на VHDL блоков в периферию контроллера. И вроде не так уж и сложно, но запал иссяк. Дурные мысли меня покинули, и бродят где-то между программистами и электронщиками. И зовут их теперь Стартапами.
Так что, если к вам кто-то придёт и представится Стартапом, подумайте, а не скрывается ли под ним какой-нибудь Времяубиватель.
И ещё одно PS: С другой стороны, за время работы над проектом Stackcpu я неплохо подучил три два языка программирования:
1. FORTH, точнее некое его подмножество, необходимое для проверки работоспособности контроллера.
2. С++, на чистом С было бы тяжело написать среду разработки и компилятор.
3. VHDL, именно буквы этого языка и есть контроллер.

Понятно, что рассказывать можно долго, но на этом хватит. Пойду заниматься чужими идеями, но с моей реализацией!
Собственно контроллер (половина мегабайта): cloud.mail.ru/public/1cdf4b1d4799/StackCPU.rar
Поделиться публикацией
Похожие публикации
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 17
    +15
    Всякий программист должен написать свою ОС, каждый инженер-аппаратчик — создать свой процессор!
      +8
      Вот и мне не совсем понятно, при чём тут «Ненормальное программирование». В университетах создать свой микроконтроллер на FPGA — это курсовой проект.
        0
        Но обычно там баян и копипаста, а тут форт система, красота…
          –1
          У вас, наверное, недопрепод был.
        +1
        Ага, это как у нас на работе — сколько народу ни работает, но каждый аппаратчик хоть раз делал свой модуль RS232/485. Как я написал параметрический модуль RS232 на VHDL (лениво мне было в трёх проектах периоды перечитывать) — так теперь все им пользуются :)
          0
          Таки работа в кайф, важен сам процесс!
        0
        Интересный проект!

        А у вас разрядность слов в памяти программ равна разрядности АЛУ или может отличаться?

        Используются ли какие-нибудь стандартные внутренние шины (типа AXI, PLB) или все свое?
          0
          Разрядности могут случайно совпадать, не более того.
          Никаких стандартов, в т.ч. стандартных шин.
          0
          Очень симпатично. Кстати, идея реконфигурируемой периферии (когда прямо в визуального редакторе можно добавлять в контроллер разнообразные аналоговые и цифровые модули) реализована в Cypress PSoC.
            0
            Идея реконфигурируемого HW уже давно реализована в подавляющем большинстве промышленных контроллерах.
            0
            А количество ЦАПов / АЦПов можно менять ;-)?
              0
              Количество ЦАП и АЦП константно, равно 0.
                0
                Да я понимаю. Но ведь как классно было бы!..
                  0
                  Классно было бы, конечно, только вот для этого нужно иметь сделанные в железе ЦАП и АЦП. Природу-то не обманешь)
                  Но вообще ничего не мешает взять какую-нибудь схемину с пачкой ЦАП и АЦП, а потом менять программно, сколько их включено.
                    0
                    Actel SmartFusion в помощь. Там количество АЦП/ЦАП хоть и константно, но отлично от нуля :)
                0
                Отличная аппаратная FORTH машина! Место, где действительно удобно раскрывается мощь и аппаратная независимость его :)
                  +1
                  Я конечно все понимаю, но Comic Sans… =)

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое