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Spécification sommaire pour les extensions
6.1
Décaleur à barillet
Le décaleur à barillet fournit dans la PO utilise plusieurs opérateurs de décalage définis dans la bibliothèque std_logic_arith.
Pour améliorer ses performances, on peut créer son propre décaleur à barillet. Par exemple, l’architecture de décaleur logarithmique utilisant des portes miroirs comme celui vu dans le TD 4 d’archi 1 est
un bon point de départ. Ci-dessous un schéma type de ce décaleur :
e31 e0
sens
0
e1 e30
1
0
x31
p
5
0
1
circuit
miroir
en entrée
x0
x1
décaleur à droite logique ou arithmétique
arith
(5 étages de mux)
sens
circuit miroir en sortie
s31
6.2
1
e0 e31
s1
s0
Additionneur à préfixe, multiplication, division
Additionneur
De base, l’outil de synthèse logique de Xilinx peut selon les besoins adaptés l’architecture de vos
additionneurs selon vos besoins (performance ou ressources). Pour être sûr d’avoir un additionneur performant, vous pouvez essayer d’implanter un additionneur de Sklansky ou un de Brent&Kung. Le cours
en ligne d’Alain Guyot 7 fournit des informations sur ces architectures.
Multiplieur
Pour l’implantation du multiplieur, il faudra rajouter les 2 registres dédiés hi et lo. L’outil de synthèse
sera en mesure de vous générer un multiplieur sur les multiplieurs dédiés du FPGA. Pas la peine d’espérer
pouvoir faire mieux. Que cela ne vous empêche pas d’essayer de comprendre ce qu’est par exemple un
multiplieur de Booth.
Division, modulo
Vous pouvez soit utiliser le package numeric std soit implanter un diviseur itératif. Il est possible de
faire encore mieux mais cela serait déraisonnable.
6.3
Les périphériques
L’ajout de périphériques au système est relativement simple. Il suffit d’ associer à ces derniers un ou
plusieurs emplacements mémoire, de modifier le décodeur d’adresse en conséquence.
Horloge (Timer)
L’utilisation d’une horloge permet au processeur d’externaliser la gestion du temps et de dissocier la
notion du temps de celle de fréquence d’horloge.
Réduit à son strict minimum, un périphérique timer est un compteur s’incrémentant à chaque cycle
de l’horloge du circuit (50MHz sur notre carte). En plus de ce référentiel de temps, l’horloge fournit un
système d’alarme programmable. Par exemple, le processeur voulant rafraichir une sortie sur les LED
toutes les 100ms, programmera l’horloge pour être réveillée à cette fréquence.
7. http://users-tima.imag.fr/cis/guyot/Cours/Oparithm/francais/Additi.htm
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Pour des raisons d’efficacité, l’alarme utilise une interruption pour se signaler au processeur.
Afficheur 7 segments
La documentation de la carte explique fort bien comment utiliser ce périphérique. Attention cependant
à utiliser une fréquence de rafraichissement assez faible pour scanner vos 4 afficheurs.
Mémoire SRAM
La carte utilisée dispose de deux mémoires SRAM asynchrones au dos. Pour des raisons de temps de
propagation très contraints, l’accès en lecture à ces mémoires est très difficile à garantir à 50MHz. Pour
les intégrer malgré tout dans le plan mémoire en lecture/écriture, on peut ajouter un cycle au load dans
la PC lorsqu’on les utilise.
Sinon, vous pouvez également ne conserver que l’accès en écriture et utiliser ces mémoires comme
une mémoire vidéo, le bloc VGA balayant alors à fréquence réduite la mémoire lorsque cette dernière
n’est pas accédée en écriture par le processeur. Dans cette hypothèse, une seule mémoire est suffisante
pour contenir une image 640x480 avec des pixels codés sur 3 bits.
VGA
La séance 1 devrait vous offrir toute l’aide nécessaire pour ce périphérique.
Organisation de la mémoire
Périphérique
BRAM
Accès
RW
Plage d’adresse
0x0-0x1FFF
LEDs
interrupteurs
+ boutons
poussoirs
W
0x4000
R
0x4004
afficheurs
7 segments
W
0x4008
0x400A
timer
RW
W
0x4010
0x4014
SRAM
RW
0x100000-0x1FFFFF
6.4
Action
Mémoire contenant au moins
un programme et un traitant d’interruption.
Affiche l’octet de poids faible du bus de donnée sur les LED
Ecrit la valeur récupérée sur les 8 interrupteurs dans l’octet
de poids faible du bus de donnée et la valeur des
3 boutons poussoirs aux positions 16...18 de ce même bus
et 0 sur les autres bits
Mot à afficher
Configuration d’affichage (e.g. hexa demi-mot
de poids faible, de poids fort, brut sur le mot complet)
Valeur de l’horloge (pas à définir)
Programme une alarme qui déclenchera une interruption
dans un temps défini par la valeur écrite par le temps du pas.
(inactif à 0)
A vous de voir
COP0 : le coprocesseur système du MIPS
Cette section décrit un sous-ensemble du coprocesseur 0, utilisé par le MIPS pour gérer les exceptions
(6B) et plusieurs lignes d’interruption (6A), car la réalité est un peu plus complexe que ce qui vous a été
décrit dans la section 5.2.
généralités
A ce stade, vous avez normalement compris qu’une exception ou une interruption désigne un événement inattendu qui perturbe le fonctionnement normal du processeur. On distingue une exception, un
événement provenant de l’intérieur, d’une interruption qui provient d’une source externe.
exceptions
Comme en témoigne, le champ exception dans le descriptif des instructions, les causes d’exceptions
sont nombreuses : overflow, adresse invalide, appel système ...
7
Pour chacune de ces exceptions 8 , il convient d’ajouter à la partie opérative un état, l’ayant détectée,
durant lequel on enregistre la cause de cette exception dans un registre spécifique du coprocesseur 0 : le
registre de cause(CR). Ces causes sont codées de la manière suivante :
CR6···2 Cause de l’exception
0
interruption externe
4
erreur d’adressage sur une lecture (instruction, mot, demi-mot ou octet)
5
erreur d’adressage sur une écriture
8
exception syscall
9
exception break
A
instruction non définie
C
dépassement de capacité arithmétique
Le départ en exception est déclenché par le coprocesseur si CR6···2 est non nul et si les interruptions
ne sont pas inhibées par le registre SR (le même que celui utilisé pour l’interruption simple).
Les départs en exception (sur une nouvelle entrée ERQ pour la PC) et en interruption (sur l’entrée IT)
ne diffèrent que par la valeur à stocker dans EPC. On a vu qu’une interruption va y mettre l’adresse de
l’instruction suivante, tandis qu’une exception va conserver l’adresse de l’instruction fautive. Ayant déjà
réalisé PC+4 dans l’état décode, il faut donc stocker PC-4 dans EPC pour traiter correctement une exception. Noter que dans les deux cas, le traitant d’interruption est situé au même endroit. C’est donc à lui
qu’incombe la tâche de trouver la source de l’interruption ou de l’exception et de la traiter correctement.
Détail des registres
Contrairement à ce qu’on a vu dans le processeur simple, EPC et SR (Status Register) sont comme CR
des registres du coprocesseur 0.
Pour accéder à ces registres et écrire un traitant d’interruption plus efficace, le programmeur peut
utiliser les instructions mtc0 et mfc0. Ces registres y sont désignés par leurs indexes dans le coprocesseur
0 soit $12 pour le registre de status SR, $13 pour le registre de cause CR et $14 pour le registre EPC.
Les registres SR et CR sont organisés comme suit :
31 16 15
8
5
4 3
2 1
0
Registre de status :
masque
KU IE KU
IE KU IE
ligne
vieux
précédent courant
31 16 15
8
6
2
Registre de cause :
lignes
code
d’interruption
d’exception
Pour SR, IE à 1 signifie que les interruptions sont activées et KU indique si on est en mode kernel (0) ou
User (1). A priori, vous pouvez ignorer le bit KU. Ces deux bits doivent être sauvegardés lors d’un départ
en interruption ou en exception. Pour le faire, on décale SR de 2 vers la gauche sur les 6 premiers bits :
SR5···0 ⇐ SR3···0 ||02 . Au retour en interruption, l’instruction rfe se charge de restaurer le registre SR.
Si IE=1, le masque d’interruption dans SR15...8 permet de masquer/démasquer les 8 lignes d’interruption (CR15...8 ) individuellement. L’entrée IT de la partie contrôle est alors généré par un OR8 issu des ET
bit à bit entre SR et CR. A ce stade, vous devez être en mesure de gérer plusieurs sources d’interruptions
matérielles ininterruptible.
Pour permettre à une interruption d’en interrompre une autre, il faut fixer des priorités à vos lignes.
Généralement la ligne d’interruption la plus à gauche a la plus forte priorité. Ainsi votre traitant d’interruption, après avoir identifié la source de l’interruption, va pouvoir autoriser les interruptions plus
prioritaires avant le retour d’interruption. L’architecture décrite ne supporterait pas plus de 2 instructions
sans perdre les informations de SR. Pour être capable, de gérer plus, il faut mettre en place une pile pour
les exceptions où EPC et CR seraient stockés pour chaque appel. A vous d’imaginer cela.
8. Faire en priorité l’overflow et les instructions non définies.
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