Zadání závěrečného projektu CPU

Vytvořte vlastní procesor v Logisim Evolution, navrhněte pro něj instrukční sadu, popište ji tak, aby podle dokumentace šel psát strojový kód i assembler, a předveďte funkčnost na krátkém programu.

Nejde o kopii existující architektury, ale o vlastní, konzistentní a obhajitelný návrh. Velkou část parametrů si volíte sami. Důležité je, aby výsledkem byl skutečně programovatelný a obecný procesor, ne jen jednoúčelový sekvenční obvod.

Co musí procesor umět

V návrhu musí být možné, přímo nebo pomocí krátké posloupnosti instrukcí, realizovat alespoň následující schopnosti:

• provést ALU operaci nad daty v CPU
• přesouvat data mezi registry
• načítat a ukládat data do paměti na vypočtenou adresu
• načíst konstantu z instrukce do registru
• změnit tok programu skokem
• rozhodovat se podle podmínky
• komunikovat s I/O zařízeními

Aby byl procesor považován za obecný, musí na něm jít psát programy s cykly, větvením a prací nad proměnnými daty, ne pouze pevná lineární posloupnost kroků.

Co se odevzdává

Součástí projektu jsou čtyři hlavní výstupy:

1. dokumentace procesoru
2. samotný procesor jako obvod v Logisimu
3. customasm definice instrukční sady (#ruledef, případně #subruledef)
4. jednoduchý výpočetní program v assembleru pro váš procesor

1. Dokumentace procesoru

Dokumentace je klíčová část projektu. Musí být dostatečně přesná na to, aby podle ní šlo:

• pochopit architekturu procesoru
• ručně zakódovat instrukci do strojového kódu
• napsat customasm pravidla
• napsat a odladit jednoduchý program

Dokumentace má být psaná věcně a odborně. Má být stručná, ale úplná: není cílem psát dlouhé omáčky, ale přesně a jednoznačně popsat vše, co je potřeba pro pochopení a používání procesoru.

Jako inspiraci si projděte příklady známých architektur. Skutečné dokumentace reálných procesorů bývají velmi rozsáhlé a jdou do mnohem větší hloubky. Vaše dokumentace nemusí být tak dlouhá ani tak detailní, ale musí přesně popsat základní princip operace procesoru a jeho instrukcí.

Minimální obsah dokumentace

Dokumentace musí obsahovat alespoň:

• stručný popis architektury CPU
• zvolené šířky:
  • dat
  • adres
  • instrukcí
  • registrů a pamětí
• informaci, zda jde o Harvard nebo Von Neumann architekturu
• popis všech programátorsky viditelných registrů
• popis speciálních registrů, pokud existují
• popis příznaků (flags), pokud existují
• popis datové paměti, instrukční paměti a jejich role
• popis všech I/O rozhraní a jejich programátorského použití
• kompletní seznam instrukcí

U každé instrukce musí být uvedeno

• jméno instrukce a její assemblerová syntaxe
• význam operandů
• chování instrukce slovně nebo v pseudokódu
• odkud instrukce čte data a kam ukládá výsledek
• jak se chová vůči PC
• jak ovlivňuje flags, pokud nějaké používáte
• binární formát instrukce
• význam jednotlivých bitových polí
• způsob kódování operandů
• případná omezení, zakázané kombinace nebo nedefinované chování

V assembleru pojmenujte aritmetické instrukce tak, aby začínaly velkým písmenem; ostatní instrukce mají začínat malým písmenem.

Dále se požaduje

• tabulka mapování instrukcí do strojového kódu
• jasný popis adresních režimů, pokud jich procesor používá více
• popis práce s immediate hodnotami
• popis podmíněného větvení nebo jiného mechanismu podmíněného vykonání
• popis toho, jak CPU realizuje požadované obecné schopnosti z předchozí sekce
• zdůvodnění hlavních návrhových rozhodnutí a kompromisů

Tabulka mapování instrukcí

Tabulka mapování instrukcí je povinná. Doporučený formát je spreadsheet, typicky Excel nebo LibreOffice Calc, případně jiný ekvivalentní tabulkový editor.

Očekává se tabulka, ve které:

• každý řádek odpovídá jedné instrukci nebo jedné konkrétní variantě instrukce
• bity instrukce jsou znázorněny v úzkých sloupcích
• související bity tvoří pomocí merge cells jedno společné pole
• v každém takto sloučeném poli je napsáno, co dané bity znamenají
• bity s pevnou hodnotou jsou vizuálně odlišené, typicky podmíněným formátováním
• je na první pohled vidět, které bity jsou 0 a které 1, například červeně a zeleně
• napravo od bitového formátu je uvedena assemblerová syntaxe instrukce včetně operandů

V tabulce musí být alespoň

• název nebo mnemonika instrukce
• assemblerová syntaxe instrukce včetně operandů
• úplný bitový formát instrukce
• vyznačený opcode
• vyznačené operandové části instrukce
• popis významu každého operandového pole
• informace, co se do daného pole zapisuje:
  • číslo registru
  • immediate hodnota
  • podmínka
  • ALU podoperace
  • směr přenosu
• nebo jiný význam podle vašeho návrhu
• pokud je to relevantní, i poznámka k šířce a interpretaci hodnoty, například zda jde o u8, s8 nebo adresu

Detailní informace o parametrech instrukcí, jejich významu, omezeních nebo chování nemusí být nutně všechny přímo v tabulce. Mohou být kdekoliv v dokumentaci, pokud je dokumentace jako celek úplná a přehledná.

Na druhou stranu platí, že pokud tabulka mapování instrukcí obsahuje všechny důležité informace o instrukcích přehledným a dobře čitelným způsobem, není nutné tyto informace znovu duplicitně přepisovat jinam. Tabulka je v takovém případě plnohodnotnou a nedílnou součástí dokumentace.

Úprava tabulky

Na vizuální úpravě záleží. Tabulka má být přehledná a rychle čitelná.

Očekává se zejména:

• rozumné řazení instrukcí, například podle opcode, podle délky opcode nebo po skupinách podobných instrukcí
• konzistentní práce s barvami
• konzistentní orientace bitů, typicky MSB vlevo a LSB vpravo
• viditelné oddělení konstantních bitů od operandů
• dostatečně popsaná hlavička tabulky

2. Procesor jako obvod v Logisimu

V Logisim Evolution vytvořte skutečný procesor, který odpovídá vaší dokumentaci.

Požadavky na obvod

• jde o synchronní sekvenční obvod
• obsahuje programovou paměť a mechanismus načítání instrukcí
• obsahuje PC a bez skokové instrukce postupuje na další instrukci
• umí vykonat instrukce popsané v dokumentaci
• je programovatelný pomocí strojového kódu odpovídajícího navržené ISA
• je alespoň téměř jednocyklový
• Použijte registrovou banku
• Jako ALU procesoru použijte jedno z:
  • Vaše ALU z předchozí úlohy
  • Vaše ALU, ale upravené tak, aby vám lépe fungovalo v procesoru (větší data, další/jiné operace, Logisimová aritmetika, etc.)
  • Postavte nové alespoň stejně dobré ALU jako požaduje zadání jeho úkolu (ale můžete použít Logisimovou aritmetiku pro zjednodušení)
• Všechny stavové registry procesoru se budou ukazovat v záložce "State" v Logisimu
• Celý procesor lze ovládat z jednoho přehledného místa o velikosti jedné obrazovky
  • tzn. IO, clock, atd. by měly být pohromadě
  • stav registrů musí být vidět taky - ale na to stačí ta záložka "State"
  • je výhodné (pro vás i pro mě), aby odsud bylo vidět i kterou instrukci CPU spouští
    • buď tam můžete umístit celý instrukční dekodér, nebo sadu LED diod, které se rozsvítí podle toho, jaká instrukce se pouští

V návrhu se očekává

• datová cesta odpovídající sadě instrukcí
• kontrolní jednotka, která instrukci dekóduje na kontrolní signály
• rozumně navržená sada registrů
• podpora práce s pamětí
• podpora podmínek, pokud je CPU používá
• podpora I/O

Kvalita návrhu

• všechny důležité signály, registry, sběrnice, piny a IO moduly musí být pojmenované
• šířky vodičů musí být konzistentní a jednoznačné
• v diagramu musí být zřejmé, kudy tečou data a odkud se berou kontrolní signály
• pokud používáte flagy nebo stavové signály, musí být zřejmé, kde vznikají a kde se používají
• pokud má některá instrukce výjimku z jednocyklovosti, musí to být z návrhu i dokumentace patrné

I/O

I/O je významná část projektu. Očekává se, že navrhnete něco zajímavějšího než pouze formální jeden vstup a jeden výstup.

Vhodné příklady:

• tlačítka nebo přepínače jako vstup a LED nebo hex displej jako výstup
• klávesnice a TTY
• LED matrix
• vlastní paměťově mapované nebo instrukčně ovládané periferie

Jako jeden ze vstupů procesoru použijte šest tlačítek zakódovaných do jednoho bytu.

Nejde jen o připojení periferie k procesoru, ale i o to, aby ji šlo smysluplně použít v programu.

3. customasm ruledef pro procesor

K procesoru vytvořte customasm definici, která odpovídá vaší ISA a umožní generovat strojový kód pro Logisim.

Požaduje se

• korektní #ruledef pro všechny instrukce, které používáte
• #subruledef všude, kde dává smysl, např. pro registry, podmínky nebo podvarianty instrukcí
• správně nastavená šířka instrukční paměti a exportu
• konzistence mezi dokumentací, assemblerem a skutečným hardwarem

Příklad pro procesor s 22bit instrukcí:

#bankdef code ; na nazvu nezalezi
{
    #bits 22 ; upravte podle sirky instrukci
    #addr 0x0000
    #size 0x8000 ; upravte podle velikosti vasi ROM
    #outp 0x0000
}

Je vhodné doplnit

• pseudoinstrukce, pokud zjednoduší programování
• komentáře vysvětlující méně zjevné části kódování
• krátký příklad použití assembleru

4. Jednoduchý výpočetní program v customasm

Napište krátký program, který na vašem CPU skutečně něco počítá a zároveň předvede důležité vlastnosti návrhu.

Program musí ukázat

• aritmetiku nebo jiný netriviální výpočet
• práci s registry
• alespoň jednu řídicí konstrukci:
  • podmínku
  • cyklus
  • nebo obojí
• smysluplné použití I/O

Program nemá být pouze

• jednorázové nastavení několika registrů
• lineární posloupnost bez rozhodování
• prosté vypsání konstant bez výpočtu
• výpočty na neinicializovaných nebo nulových registrech

Co k programu doplňte

• stručný popis, co program dělá
• jaké má vstupy
• co je jeho výstup
• jak se program spouští v Logisimu
• proč je zvolený program vhodný jako ukázka schopností CPU

Vhodné příklady programů:

• součet nebo průměr několika hodnot
• maximum nebo minimum v poli
• násobení opakovaným sčítáním nebo square a multiply
• výpočet faktoriálu nebo mocniny v malé datové šířce
• zpracování vstupu z klávesnice nebo přepínačů a zobrazení výsledku na displeji, TTY nebo LED matrixi
• fibonacciho posloupnost
• collatzova konjektura
• výpočet GCD nebo LCM
• ...

Zkrátka, ukázkový program by měl demonstrovat, že chápete programování v asembleru, a měl dostatečně využívat výpočetní sílu vašeho procesoru.

Do vašeho ukázkového programu přidejte i funkci prepareMem, která vyplní paměť hodnotami 0xdb. Tato funkce se nemusí volat, slouží pouze jako ukázka programování. Tato funkce není sama o sobě řešením zadání "jednoduchého výpočetního programu" - musíte si vybrat nějaký vlastní, pouze do něj doplňte tuto funkci "navíc".

Doporučení k návrhu

• Začněte návrhem ISA a teprve z ní odvozujte datovou cestu.
• U každé instrukce si explicitně rozmyslete, odkud tečou data a kam se ukládají.
• Snažte se, aby podobné operandy byly ve strojovém kódu na podobných pozicích.
• Pokud některou schopnost omezíte, vždy si ověřte, že ji lze pohodlně nahradit krátkou sekvencí jiných instrukcí.
• Zvažujte jednoduchost hardware a jednoduchost programování zároveň.

Studijní opora

Při návrhu vycházejte zejména z:

• Materiálů na moodlu
• Poznámky z hodin
• Jednoduché architektury (ISA)
• customasm
• CPU - Programování