Jest to projekt SOC wykonanym na jednym z układów FPGA - Cyclone IV polegający na implementacji prostego komputera 16-bitowego (w stylu komputera retro), umożliwiający mimo niskich parametrów sprzętowych (14 kB RAMu + 6 VRAM) na wyświetlanie obrazu (VGA 344x256, 27 kolorów) oraz dźwieku samplowanego (16 kHz 4-kanałowego). Umożliwia proste ładowanie programów poprzez odpowiednio przygotowaną kartę SD (układ posiada moduł obsługi tych kart). Układ posiada też obsługe interfejsu PS/2 dzieki któremu można podłączyć klawiaturę po tym złaczu.
Układ jest oparty o autorski 16-bitowy procesor (projekt był rodzajem ekspetymentu ile można uzyskać tworząc oprogramowanie na własny układ opaty o własną nigdzie indziej nie wspieraną architekrurę oraz na tym jak bardzo zaawansowany procesor da się "wymyśleć" w warunkach domowych, korzystając z niewielkich zasobów - płytka na którą stworzono układ ma zaledwie 6k bloków logicznych LE's). Roboczo układ nazwano Bilberry a sam układ Bilberry PI, gdyż podobnie jak słynne Raspberry PI jest komputerem umieszczonym w zasadzie na jednym chipie, ładuje on oprogramowanie z karty SD. Projekt jest nadal w fazie Beta, wymaga jeszcze wielu testów.
Poniższy schemat opisuje architekurę rozwiązania:
Tak jak w wstępnym opisie układ posiada kilka komponentów:
- Procesor 16-bitowy oprty o autorską arrchitekturę obsługujący ponad 40 rozkazów. Posiada odzielną magistralę do obslugi urządzeń oraz odzielną do obsługi pamięci. Kontroler przerwań przyjmuje 7 przerwań pochodzących od komponentów. Procesor posiada wbudowaną mnożarkę oraz układ dzielący, ALU obsługujące proste operacje logiczne (AND,OR,XOR) oraz arytmetyczne. Procesor nie rozróżnia trybów signed lub unsigned - wszystkie rejestry 16-bitowe są uwzględniane z ich znakiem (czyli signed). Procesor ma dostęp do 4 komponentów wejścia i 4 komponentów wyjścia.
- Układ wspiera DMA, dzieki niemu układ dźwiękowy może czytać próbki bezpośrednio z pamięci RAM.
- Dostępna jest pamięć 14 kB RAMu oraz 5 kB ROM-u; 4 kB tzw. KERNAL-a, oproramowanie startowe - bootloader posiadaący podstawowe biblioteki do obsługi układu graficznego i dźwiękowego, odpowiada za diagnostykę pamięci RAM oraz za ładowanie oprogramowania z karty SD. Odpowiada on też za obsługe przerwań (szczególnie odbiera wciskanie klawiszy na klawiaturze oraz za tzw. timery). Niemniej do poprawnego działania wymagane jest oprogramowanie dostarczone na karcie SD, bez niego komputer się nie uruchomi. Pozostaly 1 kB zawiera podstawowa czcionke systemu. Rozwiazanie to skraca programy ladowane z karty i ułatwia prace podczas pisania oprogramowania. Pozostały 1 kB przechowuje podstawową czcionkę systemu:
Wzorzec czcionki systemowej.
Czcionka systemowa wyswietlona przez uklad.
- Timer wysyla cykliczne przerwanie co 1 ms - dzieki niemu możliwy jest pomiar czasu przez programy procesora.
- Moduł graficzny o rozdzielczości 344x256 - obsługuje on 27 kolorów. Obraz generowany przez niego posiada 3 warstwy. Pierwsza sklada sie z znakow których wzorzec jest ladowany do VRAMU oraz na podstawie jego i pozostalych informacji w VRAM o ich polozniu generowany jest obraz z znaków o rozdzielczosci 8x8 , co tworzy tablice znaków o wymiarach 43x32. Rodzajów znaków na jednej klatce może być maksymalnie 128. Istnieje możliwość powiekszenia 2x w osi Y znaków. Każdemu znakowi można przyporządkować jedną z 8 4-kolorwych palet. W ten sposób można uzyskać dobrej jakości tło korzystając z małych zasobów. Druga warstwą jest warstwa spriteów - można ich wyświetlać na raz maksymalnie 24 przy czym 8 w jednej linii. Kazdemu takiemu spriteowi jest przydzelana paleta kolorów 3-kolorowa (4-kolorowa jezeli uwzględnamy kolor przezroczysty). Spritey te mają rozdzielczość 16x16 mozna je rozciągać i skurczac w osi X i skurczać w osi Y. Obie te warstwy są ruchome można zmieniać ich pozycje względem lewego, górnego kąta ekranu. Ostatnią warstwą jest warstwa przednia- jest ona nieruchoma obsługuje zaledwie 16 znaków i tylko jedną 3-kolorwą paletę (4 kolory z przezorcyzstym). Układ korzysta z 6 kB VRAMu.
Przykladowe obrazy mozliwe do wyswietlenia na ukladzie.
Paleta dostepnych 27 kolorów.
-
Moduł dźwiękowy korzysta on z 3 kanałów umożliwająych odtwarzanie sampli z pamięci oraz jeden kanał umożliwiający generowanie dźwięków za pomocą wbudowanego generatora (umożliwia generowanie sygnału sinusoidalnego, piłokształtnego, trójkątnego , szumu oraz prostokątnego). Dźwięki te są na wyjściu sumowane, moduł jako jedyny korzysta z DMA.Dźwięk jest generowany za pomocą 8 wyjść PWM, głośność jest ustalana na podstawie tego ile danych PWM-ów generuje w danym momencie sygnał. PWM-y są podłączane do jednego węłza a ten węzeł jest podłączany do jednego z wyjść głośnika zaś drugie wyjście głośnika jest podłączone do masy.
-
Moduł kart SD - umożliwia on odczyt oraz zapis kart SD, dzięki niemu możliwe jest ładowanie oprogramowania na układ.
-
Układy I/O obsługujące przyciski, diody kontrolne oraz klawiaturę PS/2
Możliwość edycji teksu.
Dostarczony w tym repozytorium kod zawiera
- Kod układu w języku Verilog.
- Kod kompilatora oraz konwertera czcionki wykoanego w Javie.
- Kod Kernala oraz programu przykładowego (prosty "input" ) wykonanego w assemblerze procesora, możliwy jest on do skomiplowania w dostarczonym kompilatorze.
Projekt był tworzony na układ EP4CE6E22C8. Na dosyc dobrze rozpowszechnionej płytce (min na EBay-u link), należało dodatkowo użyć własnego modułu złącza kart SD (Najlepszy dla tego układu będzie moduł będzie moduł bez dodatkowego mikrokontrolera, projekt obsługuje jedynie tryb SPI)oraz odpowiednio podłączonego głośnika. Do jednej z nóg głośnika należało podłączyć wszystkie PWM-y a do drugiej masę tak jak na poniższym schemacie:
Podlaczenie na plytce.
PWM-y znajdują się w pinach 64,66,68,70,72,74,76,80 zaś interfejs SPI kolejno piny : CS : 28, MISO : 31, MOSI : 33, SCK 38/
- Należy uruchomić w środowisku IntelliJ IDEA kompilator i skompilować dostarczony wraz z tym kompilatorem w projekcie środowiska IntelliJ program.
- Należy uruchomić za pomocą programu HxD wygenerowany plik binarny (program.bin). Jeżeli modyfikowano KERNAL należy wymienić również pliki w folderze Hardware/software na te które wygeneruje kompilator (pliki *.hex).
- Należy nadpisać pierwsze 16 sektrorów karty SD zawartością pliku SD. Nie używaj do tego karty z ważnymi danymi - nadpisanie to z perspketywy systemu pliku "normalnego" komputera uszkodzi kartę, a do normalnego ponownego użytkowana będzie wymagała sformwatowania.
- Należy przełożyć kartę a następnie włożyć do złącza SD.
- Należy wgrać projekt na płytkę (za pomocą pliku SOF, który zostanie wygenerowany po skompilowaniu porjektu Verilogowego) wraz z włożoną kartą. Kartę można włożyć później ale będzie to wymagać resetu ukłądu (za pomocą przycisku RESET).
- Program powinien się uruchomić (prosty input). W przypadku problemów należy wyjąć i włożyć kartę a następnie zresetować.
UWAGA! Układ ma problem z kartami Samsung-a. Testowałem na kartach GoodRAM-u i działały na ogół dobrze.