Делаем IBM PC на FPGA

Думаю многие, кто работал с FPGA думали — а не сделать ли свой компьютер полностью на ней, с x86 процессором, периферией и прочим? 8-и битные компьютеры часто реализовывали в FPGA, но вот целый PC…

Для успешной работы помимо x86 процессора нужен еще BIOS со всеми реализованными прерываниями (включая доступ к «диску» на SD карте), BIOS VGA-совместимой видеокарты, вся периферия, контроллер памяти, таймер и многое другое. Задача намного сложнее чем кажется на первый взгляд, но тем не менее, в проекте ZetCPU она решена.

Из ограничений — работает только 16-и битный режим на 12.5Mhz, без математического сопроцессора.

Железо

Для запуска нам понадобится отладочная плата с FPGA. Мне очень понравились плата Terasic DE2-115 (на Altera Cyclone IV с 115тыс. LE). Студенческая цена — 299$, меньше чем розничная цена одного чипа.

На плате куча встроенного железа — 2 по 8Мб SDRAM памяти, 256Кб SRAM, 1Мб флеш памяти, 2 PHY 1Gb Ethernet, VideoDAC для подключения к VGA, светодиоды/переключатели/кнопочки, разъем для SD карты и прочее. Но в данном проекте используется далеко не все (только SD карта, Flash, SDRAM и VideoDAC).

Также проект можно запустить на DE0 Nano со студенческой ценой 59$, но там будет работать только текстовый режим.

Запускаем

В установке есть несколько не очевидных моментов, не описанных в инструкции:

• Загружаем в плату прошивку DE2_115_ControlPanel.sof
• Запускаем DE2 ControlPanel и заливаем BIOS и загрузочную дискету во флеш память по инструкции
• Записываем образ жесткого диска на SD карту с помощью win32-image-writer, а не WinImage — он ломает загрузочный образ с большими картами
• Компилируем BIOS/VGA BIOS или берем из установочного архива готовые
• Компилируем нашу PC-шку написанную на Verilog в Quartus-е или берем готовый kotku.sof и прошиваем в плату

Теперь можно подключать к плате монитор, PS/2 клавиатуру — и включаем :-)
Можно добавлять свои инструкции в процессоре, свою периферию, посмотреть реализацию любых инструкций в verilog-исходниках…

Пример реализации целочисленного деления

module zet_div_uu(clk, ena, z, d, q, s, div0, ovf);

	//
	// parameters
	//
	parameter z_width = 16;
	parameter d_width = z_width /2;
	
	//
	// inputs & outputs
	//
	input clk;               // system clock
	input ena;               // clock enable

	input  [z_width -1:0] z; // divident
	input  [d_width -1:0] d; // divisor
	output [d_width -1:0] q; // quotient
	output [d_width -1:0] s; // remainder
	output div0;
	output ovf;
	reg [d_width-1:0] q;
	reg [d_width-1:0] s;
	reg div0;
	reg ovf;

	//	
	// functions
	//
	function [z_width:0] gen_s;
		input [z_width:0] si;
		input [z_width:0] di;
	begin
	  if(si[z_width])
	    gen_s = {si[z_width-1:0], 1'b0} + di;
	  else
	    gen_s = {si[z_width-1:0], 1'b0} - di;
	end
	endfunction

	function [d_width-1:0] gen_q;
		input [d_width-1:0] qi;
		input [z_width:0] si;
	begin
	  gen_q = {qi[d_width-2:0], ~si[z_width]};
	end
	endfunction

	function [d_width-1:0] assign_s;
		input [z_width:0] si;
		input [z_width:0] di;
		reg [z_width:0] tmp;
	begin
	  if(si[z_width])
	    tmp = si + di;
	  else
	    tmp = si;

	  assign_s = tmp[z_width-1:z_width-d_width];
	end
	endfunction

	//
	// variables
	//
	reg [d_width-1:0] q_pipe  [d_width-1:0];
	reg [z_width:0] s_pipe  [d_width:0];
	reg [z_width:0] d_pipe  [d_width:0];

	reg [d_width:0] div0_pipe, ovf_pipe;
	//
	// perform parameter checks
	//
	// synopsys translate_off
	initial
	begin
	  if(d_width !== z_width / 2)
	    $display("div.v parameter error (d_width != z_width/2).");
	end
	// synopsys translate_on

	integer n0, n1, n2, n3;

	// generate divisor (d) pipe
	always @(d)
	  d_pipe[0] <= {1'b0, d, {(z_width-d_width){1'b0}} };

	always @(posedge clk)
	  if(ena)
	    for(n0=1; n0 <= d_width; n0=n0+1)
	       d_pipe[n0] <= d_pipe[n0-1];

	// generate internal remainder pipe
	always @(z)
	  s_pipe[0] <= z;

	always @(posedge clk)
	  if(ena)
	    for(n1=1; n1 <= d_width; n1=n1+1)
	       s_pipe[n1] <= gen_s(s_pipe[n1-1], d_pipe[n1-1]);

	// generate quotient pipe
	always @(posedge clk)
	  q_pipe[0] <= 0;

	always @(posedge clk)
	  if(ena)
	    for(n2=1; n2 < d_width; n2=n2+1)
	       q_pipe[n2] <= gen_q(q_pipe[n2-1], s_pipe[n2]);


	// flags (divide_by_zero, overflow)
	always @(z or d)
	begin
	  ovf_pipe[0]  <= !(z[z_width-1:d_width] < d);
	  div0_pipe[0] <= ~|d;
	end

	always @(posedge clk)
	  if(ena)
	    for(n3=1; n3 <= d_width; n3=n3+1)
	    begin
	        ovf_pipe[n3] <= ovf_pipe[n3-1];
	        div0_pipe[n3] <= div0_pipe[n3-1];
	    end

	// assign outputs
	always @(posedge clk)
	  if(ena)
	    ovf <= ovf_pipe[d_width];

	always @(posedge clk)
	  if(ena)
	    div0 <= div0_pipe[d_width];

	always @(posedge clk)
	  if(ena)
	    q <= gen_q(q_pipe[d_width-1], s_pipe[d_width]);

	always @(posedge clk)
	  if(ena)
	    s <= assign_s(s_pipe[d_width], d_pipe[d_width]);
endmodule 

Переходим к тестированию

Заранее прошу прощения за экранные копии:








Далее — программирование. Скорость компиляции и выполнения навевает ностальгию…

Заключение

Надеюсь статья заставила вас поверить в силу FPGA и продолжить изучение Verilog.
А у кого-то возможно теперь исполнится мечта сделать свою PC-шку с блекджеком :-)

Вопросы/комментарии?