Cum citim un datasheet? ATTiny20

Pentru a asigura comunicația dintre procesor, memorie și periferice le vom interconecta pe toate într-o topologie de tip magistrala. Aceasta este un mediu partajat de comunicație, în sensul că există un singur set de semnale (de control, date și adrese) la care au acces toate modulele conectate (spre deosebire de o topologie punct-la-punct unde există o legătură separată între fiecare modul care dorește să comunice cu altul).

Magistrala de sistem este, pe scurt, o magistrală care conectează procesorul de memoria principala și de periferice. Magistrala de sistem trebuie sa aibă, în general, 3 componente:

• linii de control
• linii de adrese
• linii de date

Modurile de adresare a memoriei descriu metoda prin care este calculată adresa efectivă a datelor accesate, folosind informații constante și/sau conținute în registre. Pentru a fi mai flexibil pentru programatori un ISA va implementa mai multe moduri de adresare a memoriei, fiecare cu avantaje și dezavantaje. Aceste moduri pot fi folosite prin diferite instrucțiuni. Mai departe ne vom uita peste modurile de adresare a memoriei de date disponibile pe arhitectura AVR.

Figura precedentă descrie organizarea spațiului de adresă pentru ATTiny20. Memoria RAM ocupă o mică parte din acest spațiu de la adresa MEM_START_ADDR = 0x40 la MEM_STOP_ADDR = 0xBF. Astfel, memoria RAM este responsabilă de tratarea citirii/scrierii pentru orice adresă primită din acest interval.

Adresa de memorie dorită se află chiar în corpul instrucțiunii. Un exemplu de instrucțiune ce folosește adresare directa este LDS (16-bit).

Biții marcați cu k formează o constantă ce reprezintă adresa de memorie de unde sunt citite datele, iar aceste date sunt scrise în registrul Rd.

Adresa de memorie dorită se află în registrul X, Y sau Z. O instrucțiune ce folosește adresare indirectă cu deplasament este LDD (i).

Conform datasheet-ului când ne referim la registrul X, Y sau Z ne referim de fapt la grupări de câte doua registre:

• Registrul X reprezintă concatenarea registrelor R27:R26
• Registrul Y reprezintă concatenarea registrelor R29:R28
• Registrul Z reprezintă concatenarea registrelor R31:R30

Există desigur și variații Adresare indirectă cu offset: Adresa de memorie dorită se află în registrul Y sau Z, la care se adaugă un deplasament găsit în corpul instrucțiunii. O instrucțiune ce folosește adresare indirectă cu deplasament este LDD (iv).

Biții marcați cu q formează o constantă ce reprezintă deplasamentul ce trebuie adăugat adresei de memorie găsită în registrul Y sau Z. Datele sunt scrie în registrul Rd.

Adresare indirectă cu pre-decrementare

Adresa de memorie dorită se afla în registrul X, Y sau Z, care este decrementată înainte de a fi folosită. O instrucțiune ce folosește adresare indirectă cu deplasament este LDD (iii).

Adresare indirectă cu post-incrementare

Adresa de memorie dorita se afla în registrul X, Y sau Z, care este incrementata după ce este folosită. O instrucțiune ce folosește adresare indirectă cu deplasament este LDD (ii).

Procesorul pe care îl implementăm la laborator are o arhitectura de tip Harvard. Asta înseamnă că vom avea 2 memorii separate pentru instrucțiuni și date.

• Memoria de instrucțiuni este de tip ROM (2048 bytes) și se găsește în rom.v
  • adresele sunt pe 8 biți
  • datele au 16 biți (adică lungimea unei instrucțiuni)
• Memoria de date este un SRAM sincron de tip pipeline (128 bytes) și se găsește în sram.v
  • adresele sunt pe 7 biți
  • datele au 8 biți (= dimensiunea unui registru)

Procesorul lucrează cu 16 registre “general purpose” de 8 biți. Teoretic există 32 registre, însă implementarea noastră nu va folosi niciodată primele 16. Astfel când scriem cod AVR vom putea folosi numai registrele din intervalul R16 → R31.

Totuși, după cum ați văzut în laboratorul trecut, nu vom lucra direct cu aceste registre, ci vom folosi registrul sursa Rr și registrul sursă/destinație Rd. Aceștia în spate adresează cele 16 registre. Puteți vedea acest lucru în sursa register_file.v în care este implementat un Dual Port SRAM. Acesta garantează accesul concomitent (într-un ciclu de ceas) atât la Rd, cât și la Rr.

Driver-ul de memorie pentru modulul dual_port_sram este reg_file_interface_unit definit în fișierul reg_file_interface_unit.v. Aici vom seta biții de CS, WE si OE, precum și liniile de date și adrese ce sunt necesare pentru lucrul cu memoria.

Fata de laboratorul anterior, veți găsi o serie de semnale noi ce au fost adăugate unor modulelor procesorului nostru pentru a putea permite implementarea instrucțiunilor de lucru cu memoria. În această secțiune va fi explicat pe scurt rolul acestor semnale noi și utilitatea lor.

1. decode.v
   • opcode_imd - asemănător lui opcode_rr și opcode_rd, acest semnal va reține valoarea decodificata din instrucțiune a valorilor imediate folosite de unele instrucțiuni.
2. reg_file_interface_unit.v
   • rr_addr & rd_addr - ieșirile modulului care spun ce adresă folosim pentru RD si RR pentru operația curenta. Valorile acestor adrese trebuie stabilite în funcție de tipul operației (scriere sau citire) dar și de modul în care aceasta codifica adresa (indirect, printr-un alt registru sau direct prin OPCODE). O astfel de ieșire este activă doar dacă bit-ul CS corespunzător uneia dintre cele doua este activ.
   • internal_rr_addr & internal_rd_addr - fire de “lucru” în cadrul modului folosite pentru a determina ce adresă se asignează pe ieșirile rr_addr respectiv rd_addr.
   • signals - un registru ai cărui biți reprezintă ce fel de operație (READ sau WRITE) se execută asupra memoriei sau registrelor (RD, RR sau MEM). Semnificația fiecărui bit din acest registru se poate găsi în defines.vh.
3. control_unit.v
   • writeback_value - valoarea ce trebuie salvată în memorie la finalul ultimului stagiu de pipeline. În funcție de tipul operației, trebuie asignat semnalul corespunzător. Spre exemplu, operațiile UAL atribuie ALU_OUT_BUFFER.
   • bus_data - valoarea aflata pe magistrala de data în urma ultimei operații de citire din memorie.
   • alu_rr - valoarea curenta stocata în registrul RR.
   • alu_rd - valoarea curenta stocata în registrul RD.

Instrucțiunile pe care le veți implementa în acest laborator diferă putin de cele UAL pe care le-ați întâlnit pana acum. În aceasta secțiune va fi explicat pe scurt cum trebuie citit si interpretat datasheet-ul în cazul acestor instrucțiuni.

1. LDI - Fata de instrucțiunile obișnuite, LDI introduce un nou operator: K. K reprezinta o valoare constanta pe 8 biți ce este salvata în registrul RD.
2. LDD - Aceasta instrucțiune este un load indirect și folosește registrul special Y pentru a specifica adresa de memorie de la care se face citirea. În datasheet, veți găsi 4 codificări distincte pentru aceasta operație. Acest tip de LOAD poate modifica valoarea adresei înainte sau după accesarea efectiva a registrului. Cele 4 variante descrise in datasheet sunt:
   • LDD Rd, Y - in aceasta varianta, adresa din registrul Y este nemodificata în urma execuției
   • LDD Rd, Y+ - Post increment; adresa este incrementata după ce se face accesul
   • LDD Rd, -Y - Pre increment; adresa este decrementată înainte de a se face accesul
   • LDD Rd, (Y+q) - Displacement; adresa de la care se citește este specificata de registrul Y plus un deplasament (o constanta pe 6 biți codificata în instrucțiune)
3. LDS - Instrucțiune pentru load direct din spațiul de date în registru. Asemănător cu LDI, aceasta instrucțiune codifica o constanta k, însă aceasta are o semnificație cu totul diferita. Aici, k codifica adresa din spațiul de date de la care se va face operația de load. Formula pentru calculul acestei adrese o găsim în datasheet: ADDR[7:0] = (~INST[8], INST[8], INST[10], INST[9], INST[3], INST[2], INST[1], INST[0]). biții 10, 9, 8, 3, 2, 1, 0 din instrucțiune reprezinta biții ce îl codifica pe k.
4. STS - Scrie dintr-un registru la o adresa în memorie. Calculul adresei se face la fel ca cel pentru LDS.
5. MOV - Copiază valoarea unui registru într-un alt registru. Codificarea acestei instrucțiuni este similara cu cea a instrucțiunilor UAL.

Instrucțiunile prezentate pot fi grupate și după tipurile de memorie intre care transfera date, astfel:

• REG-REG: MOV
• MEM-REG: LDD, LDS, STS
• REG-IMMEDIATE: LDI