XiPU i XiPU_v2 - 8 bitowe procesory oparte o układy 74 TTL

[demoh]

Witam wszystkich!

Mam na imię Paweł i od blisko 5 lat buduję swój własny procesor oparty o układy z rodziny 74 TTL. Do tej pory stworzyłem dwie iteracje projektu. Każda z tych dwóch iteracji składa się z płytki CPU i płytek potrzebnych do zbudowania prostego komputera w oparciu o te CPU.

Do tej pory tworzyłem swój projekt hobbystycznie. Strona na której zamieszczałem opis i źródła nie była za bardzo nigdzie udostępniana i praktycznie tylko znajomi o niej wiedzieli. Ale nadszedł ten czas by się podzielić projektem z większą publiką 🙂

WWW: https://xirx.net

GIT: https://git.xirx.net lub mirror: https://github.com/demohpj

Na stronie www na ta chwilę jest pełny opis XiPU w pierwszej wersji. XiPU_v2 będzie miał dopiero taki opis tworzony. Zapraszam też do zapoznania się działem download gdzie można ściągnąć emulator całego komputera i pobawić się z nim na żywo:

Download: https://xirx.net/?s=download

W obu wersjach miałem proste założenia:

• Używać układów 74 w wersji HCT (napięcie działania to 5V ale zapotrzebowanie prądowe jest o wiele mniejsze ze względu na bycie układami CMOS)
• Nie używać nic bardziej skomplikowanego niż ALU 181
• Ograniczyć się maksymalnie do formatu A4 dla PCB
• 8 bitowa architektura z 16 bitowym adresowaniem pamięci
• 2 rejestry ogólnego przeznaczenia (A i B) i 2 rejestry dodatkowe pomocne przy używaniu adresów (X i Y)
• Obsługa 64 KB RAM (16 bitowa szyna adresowa)
• Taktowanie CPU minimum 1 MHz (by dało się go używać w jakiś sensownych scenariuszach)
• Szyna danych do komunikacji z zewnętrznym światem (8 bit IN oraz 8 bit OUT)
• Obsługa stosu
• Obsługa rozkazów: add, sub, inc, dec, shl, shr, push, pop, cmp, jmp
• Mikrokod zapisany na układach EEPROM

Wymagania co do komputera:

• Ekran 320x240 z 4 bitową paletą i znakami 8x8 (w rzeczywistości zastosowany jest ekran LCD 640x480 z 8 bitową paletą)
• Prosty głośnik do odtwarzania tonów generowanych przez funkcję kwadratową (zmieniamy procent wypełnienia i częstotliwość)
• RS232 o prędkości 1200 bps
• Zegar RTC z podtrzymaniem bateryjnym
• Klawiatura QWERTY
• 4 diody LED (power, run, capslock, error)

Komputer zasilany jest napięciem 7.5V przy maksymalnym prądzie 1A.

Główną składową komputera oprócz CPU jest IO Board, który ma za zadanie pośredniczyć w komunikacji CPU ze światem. Jako układ sterujący zastosowałem STM32F072. Płytka posiada również pamięć typu flash o wielkości 2 MB do przechowywania plików i programów udostępnianych po szynie danych do CPU. W XiPU_v2 pamięć flash przechowuje również plik z systemem operacyjnym, który po starcie jest pobierany przez bootloader.

Opis kluczowych właściwości XiPU:

• Częstotliwość zegara: 1 MHz
• Pamięć: 32 KB ROM + 64 KB RAM (dwie oddzielne przestrzenie adresowe, górne 32 KB RAM jest widoczne jako górna połówka ROM)
• Zewnętrzna szyna komunikacyjna: 8 bit IN, 8 bit OUT
• Rejestry: A, B, X, Y (wszystkie są 8 bitowe)
• Stos: 256 bajtów (tylko prosty push i pop)
• Adresowanie: Bezpośrednie lub jako adres w parze rejestrów Y:X
• Flagi procesora: C i Z (każda instrukcja używająca ALU powoduje zmianę tych flag)
• Mikrokod: 2 pamięci 32 KB EEPROM
• Arytmetyka: Tylko operacje na 8 bitowych danych
• System operacyjny: 32 KB EEPROM (zmiana wersji wymaga przeprogramowania układu)

Opis kluczowych właściwości XiPU_v2:

• Częstotliwość zegara: 1 MHz
• Pamięć: 64 KB RAM (jedna przestrzeń adresowa, tylko pierwsze 2 KB pamięci jest przeznaczone dla BIOS w pamięci ROM)
• Zewnętrzna szyna komunikacyjna: 8 bit IN, 8 bit OUT
• Rejestry: A, B, X, Y (wszystkie są 8 bitowe)
• Stos: 4 KB, obsługa Frame Pointera (dostępny rejestr BP), dostępne instrukcje enter i leave, możliwe zaawansowane manipulowanie adresem wskaźnika stosu i bezpośredni dostęp do danych
• Adresowanie: Bezpośrednie lub jako adres w parze rejestrów Y:X, możliwe używanie dodatkowego przesunięcia dla adresów przechowywanych w Y:X
• Flagi procesora: C i Z (są dwie pary tych flag, jedna jest przeznaczona do widzenia przez następne instrukcje, druga jest ukryta i służy tylko do tymczasowego użytku podczas wykonywania specyficznych instrukcji)
• Mikrokod: 2 pamięci 32 KB EEPROM
• Arytmetyka: Operacje na 8 bitowych danych, dodatkowo wsparcie dla podstawowych instrukcji add/sub/inc/dec dla 16 bitowych danych w rejestrach Y:X
• System operacyjny: 2 KB EEPROM z BIOS (bootloader + podstawowe API dla IO), OS jest pobierany przez zewnętrzną szynę komunikacyjną z IO Board

Do projektu użyłem następujących narzędzi:

• Geany - Tworzenie plików Makefile i asemblera.
• QtCreator - C++/Qt. Użyte do tworzenia aplikacji pomocniczych.
• Qt 5.12.4 - Biblioteka użyta do tworzenia aplikacji pomocniczych.
• GCC - kompilator C i C++
• Keil uVision 5.37 - Kompilator i środowisko debugowe dla STM32F0 MCU.
• Make - Narzędzie do automatyzacji budowania.
• Doxygen 1.9.7 - Generator dokumentacji na podstawie kodu źródłowego.
• Proteus 8.10 - Symulator obwodów drukowanych.
• QCAD - Narzędzie do projektowania rysunków technicznych.
• DipTrace 4.2.0.1 - Narzędzie do projektowania PCB.
• AUTODESK Fusion - Narzędzie do projektowania modeli 3D do druku.

[Treker (Damian Szymański)]

3 godziny temu, demoh napisał:

Mam na imię Paweł i od blisko 5 lat buduję swój własny procesor oparty o układy z rodziny 74 TTL.

@demoh cześć Paweł, witam na Forbocie i dziękuję za opisanie tak oryginalnego projektu!

[ethanak]

Wypisałeś listę rozkazów, nie masz tam skoków warunkowych czy to jakaś ukryta przypadłość jmp?

A tak w ogóle to kojarzy mi się to z 6502... zgadłem?

No i masz plusa za użycie Geany 🙂

[demoh]

Tak, dużo było wzorowania na 6502 oraz na wczesnych procesorach x86. Nawet w pliku README i na www jest o tym wzmianka 😉

Lista rozkazów dla XiPU wraz z opisem dostępna jest w artykule pod tym adresem: https://xirx.net/?s=software&a=100

Dla XiPU_v2 nie ma jeszcze gotowego artykułu opisującego liste rozkazów. Skoki warunkowe są wspierane w obu wersjach CPU.

Pełna lista rozkazów wspieranych przez XiPU_v2:

• not, and, or, xor 
• shl, shr
• inc, incc, dec, decc
• add, addc, sub, subc
• incp, decp, addp, subp - arytmetyka na 16 bitowej liczbie przechowywanej w Y:X
• mov, clr
• swap - zamiana miejscami dolnych 4 bitów z górnymi 4 bitami w rejestrze
• xchg - zamiana wartości pomiędzy dwoma rejestrami bądź rejestrem i zmienną w pamięci
• in, out
• ld, st
• stp, ldp - odczytywanie i zapisywanie danych na podstawie adresu z Y:X
• gp - pobieranie adresu do zmiennej i umieszczanie go w Y:X
• ldpo, stpo - odczytywanie i zapisywanie danych na podstawie adresu z Y:X wraz z dodaniem offsetu
• cmp
• jmp
• je, jne, jg, jge, jl, jle
• rstsp - resetuje SP
• push, pop
• loope, loopz - obsługa pętli
• call, ret
• enter, leave, alloc, free - obsługa Stack Frame poprzez modyfikacje wartości SP i BP
• ldf, stf, gpf - odczytywanie, zapisywanie i pobieranie adresu zmiennych lokalnych znajdujących się w Stack Frame
• nop
• halt

Edytowano Lipiec 31, 2024 przez demoh

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Leoneq]

Cudo.