ＡＺＰＲを動かしてみる
先日本屋で、技術評論社の「ＣＰＵ自作入門」というタイトルの単行本を見かけ、おもしろそうなので、早速　関連情報をダウンロードしてみました。
技術評論社のダウンロードサイトはこちら

プログラムを用意して、ＦＰＧＡ基板で確認
ダウンロードできるアセンブラでは使いにくいので、もうすこしましなのを作成


ダウンロードできる、ソースコード（　AZPR_RTL.zip　）は、いくつかのフォルダ群になっていますが、ＸｉｌｉｎｘのＩＳＥのプロジェクトファイルの構成そのものではないので、インクルードファイルなどは、１つのフォルダにまとめたほうがいいでしょう。

ＣＰＵを動作させるには、プログラムを用意しなければなりませんが、とりあえずソースコードを使って、実際のＦＰＧＡ用にインプリメントを試みましたが、いきなりエラーが出てきました。それは、ソースの中で、ＲＡＭ（ x_s3e_dpram.v ）、が　This RAM cannot be implemented using distributed resources.　と　ＩＳＥが警告してきました。
これらのモジュールは、ダウンロードして解凍した AZPR_RTL\top\lib フォルダに、疑似モデルとして収録されていますが、これはシミュレーション用と思われ、実機にインプリメントするには、reg 宣言のＲＡＭ（ x_s3e_dpram.v ）では、ＭＡＰでエラーになってしまいます。すくなくともＲＡＭはブロックＲＡＭで構成しないといけません。そこで、ＲＡＭも、ＲＯＭもブロックＲＡＭに置き換えました。また、実機の水晶が９６ＭＨｚなので、以下のように変更しました。
●　クロックモジュール、clk_gen.v の変更は以下。



●　rom.v でインスタンシエートしている、x_s3e_sprom　module を作成。つまり、ＡＺＰＲの命令が入るところのようです。ＲＯＭの中身はなにも設定していないので、ＣＰＵは動作しません。


●　spm.v でインスタンシエートしている、x_s3e_dpram　module を作成。つまり、ＡＺＰＲの作業メモリのようです。デュアルポートなので、ブロックＲＡＭもデュアルポートＲＡＭモジュールを使います。

以上を追加し、インクルードファイルのすべてを、AZPR_RTL　フォルダ以下に include フォルダを追加して、各フォルダに分散している、xxxx.h をすべてコピーして置きました。無論、プログラムメモリはすべて０なので、ＮＯＰとなり、動作しているのか否か、外部から ( chip_top.v ) は判別できません。

プログラムを用意して、ＦＰＧＡ基板で確認
ダウンロードしたファイルには、 chip_top_test.v という、テストベンチが用意されていますが、これは使わず、サンプルプログラムで用意されている、3_3_シリアル通信　フォルダにある、serial.asm を、使うことにします。というのは、シリアルで何か出力できるようにしておくと、ＦＰＧＡにインプリメントしたとき、実機確認がパソコンで簡単にできるからです。コマンドラインで動作する、クロスアセンブラ、azprasm.exe （　こちらもダウンロードできます　技術評論社のダウンロードサイトはこちら　）を使って、命令コードを作れますが、バイナリのみのようで、いわゆる、リストとか、ヘキサデータのファイルは作れないようです。その後の調査で、リストファイルが作れることがわかりました。 使い方は、azprasm -p foo.lst -o foo.bin foo.asm で、ソースを　foo.asm とすると、ヘキサ命令、兼リストファイル　foo.lst を作ることができます。バイナリオブジェクトは、foo.bin になります。
serial.asm をアセンブルしたバイナリオブジェクトではＦＰＧＡのＲＴＬで扱いにくいので、ヘキサに変換すると、以下のようになります。

これを使うとテストベンチの、$readmemh() 関数で使えるようになりますが、ここでは、実機動作を目的にしているので、ＸｉｌｉｎｘのブロックＲＡＭを使うため、ブロックＲＡＭの初期化データのフォーマットで作成します。ここでは複数個を並列にして使ってるので、簡単に変換できないため、カスタム設計の MicroBlaze 　で公開しているツール HEX utils 最新版はこちら。v0.14を使います。
この、HEX utils を起動し、アセンブラで作成したバイナリオブジェクト、serial.bin を読み込んで、ブロックＲＡＭの初期化データ、defparam 群を作成しているところの、スクリーンショットです。

入力ファイル名の設定、ファイルの種別（ binary ）、横個数（これは参照されない）、Big endian ( チェックＯＮ)、Verilog Header ( チェックＯＦＦ )、fill ( 00 でチェックＯＮ )を設定して、Read ボタンを押すと、最大アドレス欄に、0x00000124 が表示されます。その後、出力ファイル形式（ defparam ）、出力ファイル名のパス（ prog.v ）、ブロックＲＡＭの１個あたりのビット幅 ( 8bit(1) )、を指定して、変換ボタンを押すと、defparam のデータが作成され、表示ボタンで、確認できます。保存ボタンで、指定ファイル名で、ファイルを作成します。
出来上がった、prog.v は以下です。

この設定データを、rom.v でインスタンシエートしている、x_s3e_sprom　module に追加すると、命令用のＲＯＭが serial.asm で初期化されて、シリアルポートに、"Hello,world." と表示されるはずです。アセンブラのソースを読むと、そのように書かれています。
rom.v でインスタンシエートしている、x_s3e_sprom　module を、sprom.v とすると、その中身は以下です。

手持ちのＦＰＧＡ基板で、これらをインプリメントして、テラタームで確認した、スクリーンショットです。


シリアルで、"Hello,world." を出せたプロジェクトファイルは、市販のＦＰＧＡ基板ではないので、市販のＦＰＧＡ基板で動作させた ISE 13.4 のプロジェクトファイル一式が こちらの、azprs500e.lzh です。
使用した基板は、Ｄｉｇｉｌｅｎｔ社の、Spartan-3E Sterter Kit で、ＤＤＲメモリを、ＦＰＧＡで操作してみる で解説している基板と同じです。
この基板には、XC3S500E が搭載され、ＤＤＲメモリなどがありますが、AZPR のみ実装して、ＲＳ２３２Ｃのコネクタでシリアル送信してパソコンで受信します。水晶は５０ＭＨｚなので、ＤＣＭで 1/2 の２５ＭＨｚにして、ボーレート設定は、２５ＭＨｚで１１５２００ボーになるように設定しています。

ＡＺＰＲ　のＣＰＵアーキテクチャーや、使い勝手の感想
  1. 一応ＣＰＵとしてまとまっている。
  2. 簡単な３２ビットＲＩＳＣマシンだが、バイトアクセスができない。メモリのリードライトは、すべて３２ビットアクセスになる。
  3. データポインタや、分岐命令などのアドレス値は３２ビットあるが、外部にはＭＳＢ２９ビットだけ出力され、ＬＳＢ２ビットは出ない。
  4. キャリーフラグが無い。
  5. キャリー付きローテート命令が無いので、多倍長演算がやりにくい。
  6. オリジナルＣＰＵのため、コンパイラが使えない。アセンブラのみでは、ツールとして使い勝手が悪い。

クロスアセンブラ asazpr.exe

技術評論社のダウンロードサイトにある、azprasm.exe と、できるだけ同じ仕様になるようにしましたが、ラベルに使う文字列を、数字で始まるようにはできませんでした。通常、アセンブラで数字で始まるラベルが使えるのは、azprasm.exe が実際初めてです。このアセンブラのコードを見てみると、どうやら　perl で記述されているようですが、数字で始まるラベルが使える仕様には、いささか驚きました。便利かもしれませんが、ちょっと邪道かと思います。そこで、作成したクロスアセンブラ、asazpr.exe は、この機能を外したので、７セグメントＬＥＤの表示データの設定では、7SEG_DATA_0 ---> SEG_DATA_0 としてアセンブルできるようにしました。
なぜわざわざクロスアセンブラを作ったのかというと、バイトアクセスができる命令を追加しようという意図があって、そのための準備です。また、アセンブラソースレベルで互換な命令コードに変更できるかもしれないという意図があります。というのは、バイナリレベルでのコード体系があまりよくないと思われるからです。

ダウンロードした、サンプルソフトの、kitchen.asm の、数字で始まるラベルを変更してアセンブルしてリストを出力したものが以下です。バイナリオブジェクトはオプションで追加できますが、基本でははヘキサファイルを出力します。リストファイルもオプションになっています。

使用できるオプションは、以下のものがあり、上記のリストは、asazpr -p ketchen で作成したものです。ソースファイルの拡張子、.asm は省略しないとエラーになります。

Usage:asazpr (-option) sourcefile(without .asm)
option: -p (-P) make listfile
option: -4 make 32bit hex object
option: -b (-B) make binary object file
option: -n (-N) add line No:
option: -s (-S) add sorted symbles

asazpr -p kitchen　でアセンブルすると、以下のようなメッセージが出され、バイナリオブジェクトのサイズが、604 ( 0x604 の意味) であることを報告しています。ソース総ライン数が５８２行、使用総ラベル数が７６個です。このアセンブラでは、使ってるラベル文字列の合計が、１Ｍバイトまでという制約がありますが、チェックはしていないので、超えると、Ｗｉｎｄｏｗｓでシステムエラーが出るでしょう。しかし、azpr で使うラベル文字列の合計が１Ｍバイトを超えることは現実的には無いと思います。オブジェクトサイズも１Ｍバイトまでですが、こちらはチェックして、１Ｍバイト以上ならそれ以上作成できないようになっています。
クロスアセンブラはこちら→　asazpr.exe 解凍してコマンドラインで使用します。

C:\>asazpr -p kitchen
AZPR CROSS ASSEMBLER VER. 1.0
PASS 1 END NEXT PC=20000604 LENGTH=604 SUM=26a2
PASS 3 END NEXT PC=20000604 LENGTH=604 SUM=31ed
now sorting labeles h=76
Now making .sym file
582 lines 76 labels
NO ERROR assembly complete

ヘキサオブジェクトでは以下のような、モトローラ形式のＳレコードフォーマットです。ヘキサオブジェクトは、指定しなくても出力されます。その他、使用したシンボルの値をリストアップします。


準備中



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