معالج FPGA أصلي مع مترجم لغة عالي المستوى أو Song of the Mouse

المقدمة

قائمة الأمنيات النموذجية

• وظائف كافية لنظام الأوامر ، ربما تم تحسينها للمهمة ؛
• , .. ;
• – , .

مكونات المصدر

• بيانات منفصلة وإرجاع مكدسات
• بنية منظمة ذاكرة هارفارد (برنامج وذاكرة بيانات منفصلة ، بما في ذلك مساحة العنوان) ؛
• التوسع مع الأجهزة الطرفية باستخدام ناقل متوازي بسيط.
• لا يستخدم المعالج خط أنابيب ، يتم تنفيذ أوامر الدفع والسحب:
  
  
  1. جلب الأوامر والمعاملات ؛
  2. تنفيذ الأمر وحفظ النتيجة.

• الاهتمام بالأدوات التي تخفض "عتبة الإدخال" للمطورين المبتدئين للأجهزة والأنظمة على FPGAs (من الناحية النحوية ، فإن Python ليست "مخيفة" بالنسبة للمبتدئين مثل VHDL) ؛
• السعي لتحقيق الانسجام وأسلوب واحد في المشروع (من الممكن نظريًا وصف كتل الأجهزة والبرمجيات المطلوبة لمعالج البرامج في Python) ؛
• صدفة عشوائية.

الفروق الدقيقة الصغيرة "تقريبًا" التي لا معنى لها

• مكدسات هي برمجيات - أي ممثلة بمؤشرات وتوضع في ذاكرة البيانات في عناوين مختلفة ؛
• , - ;
• ;
• , .

ثعبان يعض ذيله أو مكواة وبرمجياته

• asm.py - مجمّع وتشكيل أرقام (حرفية) ؛
• gen.py - قواعد إنشاء التعليمات البرمجية ذات المستوى المنخفض (الوظائف والمتغيرات والانتقالات والشروط) ؛
• stream.py - تشكيل تيار التمهيد ؛
• macro.py - تعريفات الماكرو ، في الواقع - ملحقات اللغة الأساسية بوظائف خاصة بالأجهزة.

• عند استلام بايت تحكم معين ، يقوم اللودر بتعيين المستوى النشط على الخط الداخلي لإعادة تعيين المعالج ؛
• يقوم أمر البايت الثاني بإعادة تعيين عداد عنوان الذاكرة ؛
• فيما يلي سلسلة من دفاتر الملاحظات للكلمة المرسلة ، بدءًا من الأصغر ، جنبًا إلى جنب مع رقم دفتر الملاحظات ؛
• بعد كل بايت مع دفتر ملاحظات ممتلئ ، يتبعه زوج من وحدات بايت التحكم ، أولها يضبط المستوى النشط على سطر إذن كتابة الذاكرة ، والثاني يعيد تعيينه ؛
• عند الانتهاء من تسلسل دفاتر الملاحظات المعبأة ، تتم إزالة المستوى النشط على خط إعادة التعيين بواسطة بايت التحكم.

uart_unit: entity work.uart
--uart_unit: entity uart
  Generic map(
    ClkFreq => 50_000_000,
    Baudrate => 115200)
  port map(
    clk => clk,
    rxd => rx,
    txd => tx,
    dout => receivedByte,
    received => received,
    din => transmitByte,
    transmit => transmit);
    
process(clk)
begin
  if rising_edge(clk) then
    if received = '1' then
      case conv_integer(receivedByte) is
      -- 0-F   - 0-3 bits
        when 0 to 15 => CodeDinA(3 downto 0) <= receivedByte(3 downto 0);
		                  DataDinBtemp(3 downto 0) <= receivedByte(3 downto 0);
      -- 10-1F -4-7bits
        when 16 to 31 => CodeDinA(7 downto 4) <= receivedByte(3 downto 0);
		                   DataDinBtemp(7 downto 4) <= receivedByte(3 downto 0); 
      -- 20-2F -8bit 
        when 32 to 47 => CodeDinA(8) <= receivedByte(0);
	                   DataDinBtemp(11 downto 8) <= receivedByte(3 downto 0);
	  when 48 to 63 => DataDinBtemp(15 downto 12) <= receivedByte(3 downto 0);
	  when 64 to 79 => DataDinBtemp(19 downto 16) <= receivedByte(3 downto 0);
	  when 80 to 95 => DataDinBtemp(23 downto 20) <= receivedByte(3 downto 0);
	  when 96 to 111 => DataDinBtemp(27 downto 24) <= receivedByte(3 downto 0);
        when 112 to 127 => DataDinBtemp(31 downto 28) <= receivedByte(3 downto 0);

      -- F0 addr=0
        when 240 => CodeAddrA <= (others => '0');
      -- F1 - WE=1
        when 241 => CodeWeA <= '1';
      -- F2 WE=0 addr++
        when 242 => CodeWeA <= '0'; CodeAddrA <= CodeAddrA + 1;
      -- F3 RESET=1
        when 243 => int_reset <= '1';
      -- F4 RESET=0
        when 244 => int_reset <= '0';

      -- F5 addr=0
        when 245 => LoaderAddrB <= (others => '0');
      -- F6 - WE=1
        when 246 => DataWeBtemp <= '1';
      -- F7 WE=0 addr++
        when 247 => DataWeBtemp <= '0'; LoaderAddrB <= LoaderAddrB + 1;
		  
		  
        when others => null;
      end case;
    end if;
  end if;
end process;

---- end of loader

…
    if reset = '1' or int_reset = '1' then
      DSAddrA <= (others => '0');      
      
      RSAddrA <= (others => '0');
      RSAddrB <= (others => '0');
      RSWeA <= '0';
      
      DataAddrB <= LoaderAddrB;
		DataDinB<=DataDinBtemp;
		DataWeB<=DataWeBtemp;
      DataWeA <= '0';
…

def get_val(x, by_4):
  r = []
  for i in range(by_4):
    r.append((x & 0xf) | (i << 4))
    x >>= 4
  return r

def make(code, data, core=0):
  #        0  
  stream = [243,245] 
  for x in data:
    #    32- 
    #         
    stream += get_val(x, 8) + [246, 247]
  #       0
  stream += [240]
  for x in code:
    #    9-  
    #         
    stream += get_val(x, 3) + [241, 242]
  #  
  stream.append(244)

  return bytearray(stream)

def lit(x):
  x &= 0xffffffff
  r = [] 
  if (x>>24) & 255 :
    r.append(int((x>>24) & 255) | 256)
  if (x>>16) & 255:
    r.append(int((x>>16) & 255) | 256)
  if (x>>8) & 255:
    r.append(int((x>>8) & 255) | 256)
  r.append(int(x & 255) | 256)
  r += asm("NOP")
  return list(r)

• قفزات مشروطة وغير مشروطة ؛
• استدعاء الوظائف وتمرير الحجج إليها ؛
• العودة من الوظائف وإرجاع النتائج ؛
• تعديلات على أحجام ذاكرة البرنامج وذاكرة البيانات والأكوام ؛
• تسلسل الإجراءات عند بدء تشغيل المعالج.

          -- group 1; pop 0; push 1;
          when cmdLOCAL => DSDinA <= LocalReg;
			 when cmdLOCALadd => DSDinA <= LocalReg; LocalReg <= LocalReg+1;
			 when cmdLOCALsubb => DSDinA <= LocalReg; LocalReg <= LocalReg-1;
…
          -- group 2; pop 1; push 0;
          when cmdSETLOCAL => LocalReg <= DSDinA;
…

-- ++
DataAddrB <= DSDoutA(DataAddrB'range);
DataDinB <= DSDoutB;

…
          -- group 3; pop 1; push 1;
          when cmdFETCH => DSDinA <= DataDoutB;
…
          when cmdSTORE =>            
            DataWeB <= '1';
…

…
--  
type TCycleStack is array(0 to LocalSize-1) of DataSignal;
signal CycleStack: TCycleStack;
signal CSAddrA, CSAddrB: StackAddrSignal;
signal CSDoutA, CSDoutB: DataSignal;
signal CSDinA, CSDinB: DataSignal;
signal CSWeA, CSWeB: std_logic;
…
--  
process(clk)
begin
  if rising_edge(clk) then
    if CSWeA = '1' then
      CycleStack(conv_integer(CSAddrA)) <= CSDinA;
      CSDoutA <= CSDinA;
    else
      CSDoutA <= CycleStack(conv_integer(CSAddrA));
    end if;
  end if;
end process;

	when cmdDO => -- DO - 
               RSAddrA <= RSAddrA + 1; -- 
               RSDinA <= ip + 1;
               RSWeA <= '1';
				
               CSAddrA <= CSAddrA + 1; --
         		CSDinA <= DSDoutA;
 		         CSWeA <= '1';
		         DSAddrA <= DSAddrA - 1; --
		         ip <= ip + 1;	-- 

      when cmdLOOP => --            
           if conv_integer(CSDoutA) = 0 then
	          ip <= ip + 1;	-- 
		         RSAddrA <= RSAddrA - 1; -- 
		         CSAddrA <= CSAddrA - 1; -- 
            else
		         CSDinA <= CSDoutA - 1;
		         CSWeA <= '1';
		         ip <= RSDoutA(ip'range);
            end if;
			 

STARTUP = asm("""
900  SETLOCAL
2 NOP FETCH JMP
""")

@act
def func(t, X):
  t.c.entry = t.c.globs[X]
  t.c.entry["offs"] = len(t.c.code) # - 1
  args = t.c.entry["args"]
  temps_size = len(t.c.entry["locs"]) - args
#      
  t.out = asm("LOCALadd STORE " * args)
  if temps_size:
#      
    t.out += asm("LOCAL %d PLUS SETLOCAL" % temps_size)
  return True

def epilog(t, X):
  locs_size = len(t.c.entry["locs"])
#    
  t.out = asm("RET")
  if locs_size:
#    ()  
    t.out = asm("LOCAL %d MINUS SETLOCAL" % locs_size) + t.out
  return True

def push_local(t, X):
#          
#  
  t.out = asm("LOCAL %d MINUS" % get_loc_offset(t, X))
  return True

@act
def goto_if_0(t, X):
  push_label(t, X)
  t.out += asm("IF")
  return True

@act
def goto(t, X):
  push_label(t, X)
  t.out += asm("JMP")
  return True

@act
def shl_const(t, X):
  t.out = asm("%d DO SHL LOOP" %(X-1))
  return True

@act
def shr_const(t, X):
  t.out = asm("%d DO SHR LOOP" %(X-1))
  return True

stmt = rule(alt(
  seq(Push(Int(X)), to(lambda v: asm("%d" % v.X))),
  seq(Push(Local(X)), push_local),
  seq(Push(Global(X)), push_global),
  seq(Load(), to(lambda v: asm("NOP FETCH"))),
  seq(Store(), to(lambda v: asm("STORE"))),
  seq(Call(), to(lambda v: asm("CALL"))),
  seq(BinOp("+"), to(lambda v: asm("PLUS"))),
  seq(BinOp("-"), to(lambda v: asm("MINUS"))),
  seq(BinOp("&"), to(lambda v: asm("AND"))),
  seq(BinOp("|"), to(lambda v: asm("OR"))),
  seq(BinOp("^"), to(lambda v: asm("XOR"))),
  seq(BinOp("*"), to(lambda v: asm("MUL"))),
  seq(BinOp("<"), to(lambda v: asm("LESS"))),
  seq(BinOp(">"), to(lambda v: asm("GREATER"))),
  seq(BinOp("=="), to(lambda v: asm("EQUAL"))),
  seq(BinOp("~"), to(lambda v: asm("NOT"))),
  seq(ShlConst(X), shl_const),
  seq(ShrConst(X), shr_const),
  seq(Func(X), func),
  seq(Label(X), label),
  seq(Return(X), epilog),
  seq(GotoIf0(X), goto_if_0),
  seq(Goto(X), goto),
  seq(Nop(), to(lambda v: asm("NOP"))),
  seq(Asm(X), to(lambda v: asm(v.X)))
))

@macro(1,0)
def testasm(c,x):
  return Asm("1 1 OUTPORT 0 1 OUTPORT 11 10 STORE 10 FETCH 1 OUTPORT  15 100 STORE 100  FETCH 1 OUTPORT")

@macro(1,0)
def testlocal(c,x):
   return Asm("1 100 STORE 2 101 STORE 100 SETLOCAL LOCAL NOP FETCH 1 OUTPORT LOCAL 1 PLUS NOP FETCH 1 OUTPORT")

@prim(1, 0)
def delay(c, val):
  return [val, Asm("DO LOOP")]

اختبارات

def fact(n):
  r = 1
  while n > 1:
    r *= n
    n -= 1
  return r


def main():
  n=1
  while True:
     digital_write(1, fact(n))
     delay(10)
     n=(n+1)&0x7

استنتاج

Family	Cyclone V
Device	5CEBA4F23C7
Logic utilization (in ALMs)	694 / 18,480 ( 4 % )
Total registers	447
Total pins	83 / 224 ( 37 % )
Total virtual pins	0
Total block memory bits	72,192 / 3,153,920 ( 2 % )
Total DSP Blocks	2 / 66 ( 3 % )

1. المعالج الرابع على VHDL // m.habr.com/en/post/149686
2. Python - ويكيبيديا // en.wikipedia.org/wiki/Python
3. نبدأ FPGA على Python _ Habr // m.habr.com/en/post/439638
4. MyHDL // www.myhdl.org
5. جيثب - صحيح، grue_uzh_ Uzh مترجم // github.com/true-grue/uzh
6. GitHub - true-grue_raddsl_ أدوات للنماذج الأولية السريعة لمجمعي DSL // github.com/true-grue/raddsl
7. sovietov.com/txt/dsl_python_conf.pdf