Имитатор микропроцессора на основе ПЛИС для функциональной проверки вычислительной системы

1. Имитатор микропроцессора на основе ПЛИСдля функциональной проверки вычислительной системы Костенко В. О., ИМВС РАН, vitel@mcst.ru Изготовление системной панели – основы вычислительнойсистемы «Эльбрус-3М1» – было запланированои полностью завершено на 5 месяцев раньше, чемизготовление микропроцессора «Эльбрус». Системная панель, основанная на ПЛИС, требовалафункциональной проверкииотладкисовместно спрототипом микропроцессора «Эльбрус» на ПЛИС,памятью DDR SDRAM итиповым комплектом устройств I/O. Работы в этом направлении сводились к поиску ошибоккак в системной панели и ПЛИС системной логики,так и в прототипе микропроцессора «Эльбрус»,их воспроизведению, получению временных диаграммнеправильной работы для определения причин ошибок.

2. Эти работынеобходимо было начать,не дожидаясь изготовления микропроцессора «Эльбрус»,для чего потребовалось разработатьустройство –имитатор микропроцессора «Эльбрус» (CPUIM).Решения, принятые при разработке –Выбран способ управления CPUIM–внешнее управление. необходимовнешнее устройство управления,необходимвнешний канал управления,зато возможны варианты и устройства управления,и канала, совместимыемежду собой. Выбрана элементная основа CPUIM –одна ПЛИС серии Stratix фирмы Altera. Технология 110 нм, тактовая частота более 100МГц ,встроенный анализатор для получения временных диаграмм. Выбран принцип действия CPUIM –согласование обмена даннымимежду каналом управления и системной панелью.

3. Достоинства выбранного принципа действия: Такое согласование несложно выполнить с помощьюFIFO-буферов, устройств синхронизацииданныхиустройств преобразования форматов данных. При этомскоростьвнешнего канала управленияможет бытьсколь угодно низкой, и в немне требуетсяналичие обратной связи для управления потоком данных,такую связь достаточно иметьв передатчике канала. Из практических соображений, было принято решениеограничитьвнешний канал скоростью3,2 Гбит/c. Неизбежный недостаток: CPUIM обеспечивает пропускную способность,не превышающую10 %от способности CPU «Эльбрус»(а практическая реализация быстрого каналауправления ограничивает эту величину1-3 %) –нотестирование,направленное на поиск ошибок при100 %пропускной способности, проводилось во времялогического моделирования системы вместе с двумя CPU.

4. Основное достоинствовыбранного принципа действия: В качествеустройства управленияможет использоватьсякакспециальное оборудование, так иПЭВМ под управлениемспециальной программы, что делает возможным автономнуюотладку с ручным или автоматическим управлением.Для названных целей были разработаны: Интерактивная диалоговая программас оконным интерфейсом –«ИНЖЕНЕРНЫЙ ПУЛЬТ УПРАВЛЕНИЯ CPUIM».+ Позволяет вручную проверить работу любой операции.- От операторатребуется полное понимание работы системы. Устройство сопряжения CPUIM cпрототипом микропроцессора «Эльбрус» на ПЛИС.+ Позволяет проверить работу системы настандартном ПО «Эльбрус».(Двоичный транслятор, BIOS, ОС, компилятор, драйверы устройств…)-Требуетвысокого уровнястабильности работы системы.- Сниженные возможности по воспроизведению ошибок.

5. Общая часть CPUIM для всех вариантов:Устройство сопряжения с системной логикой (100 МГц и 200 МГц DDR): data_ac DDR IN FIFO 32 10 10 5 От 0 до 3,2 Гбит/c data_sn DDR IN FIFO data 32 40 40 20 32 data_dc0 DDR IN FIFO ×2 32 300 300 150 75 data_dc1 DDR IN FIFO ×2 32 300 300 150 75 Мультиплексор 2 уровня. Мультиплексоры 1 уровня. quit_ac 32 5 quit_sn quit 32 10 32 quit_dc0 1/4 32 300 75 От 0 до 3,2 Гбит/c quit_dc1 1/4 32 300 75 sys_int (Verilog-2001) Выполняет необходимую буферизациюи уплотнение, предоставляявнутренние32-разрядные каналы для подключенияприемника ипередатчикавнешнегоканала.

6. ПЭВМ Вариант CPUIM с медленным внешним каналом(через JTAG): OC Windows/терминалCygwin ПультуправленияCPUIM Сеть TCP/IP (Verilog-2001,C, Cygwin) Канал черезтестовый портJTAG испец. кабель. Разработанна основе готовогопрограммно-аппаратногорешения – готовый портJTAG и терминалJTAG для ПЭВМ. Порт LPT (IEEE-1284) Системная панель,100 МГц/200 МГцDDR Кабель Byte Blaster II jtag_link sys_int quit Порт JTAG 32 ≤ 2,5 Кбит/c 4 data 32 100МГц

7. Вариант CPUIM с быстрым внешним каналом(LVDS): (Verilog-2001) Канал LVDS(RJ-45, UTP),два одно-направленныхканала,533/1067Мбит/с,сопровождениесинхросигналом,200/400Мбит/с навитую пару.Синхронизаторпринимаемыхданных,спец. элементыI/O LVDS Устройство сопряжения (ПЛИС) Прототип CPU «Эльбрус»на ПЛИС. 333 кГц / 667 кГц «DDR» Системная панель,100 МГц/200 МГцDDR sys_int lvds_link 3 quit lvds_rx 32 533 / 1067 Мбит /с 533 / 1067 Мбит /с data lvds_tx 3 32 100МГц

8. Инженерный пульт управления CPUIM: (Tcl / Tk)Диалоговая программас оконной графикой. Работает позамкнутомуциклу,запускаемомувручную. Основана на программныхFIFO-буферах.Работа диалоговсодержит элементылогики CPU. Определяетмножество ошибокаппаратурыс помощью проверкинекоторых действий. CPUIM (JTAG) Запись TCP/IP Чтение TCP/IP Буферизациявходных данных Буферизациявыходных данных Анализвходных данных Анализвыходных данных Отображение входных данных,Переход в диалоговый режим,Прием выходных данных,Выход из диалогового режима. (Работают элементы логики CPU.) Внешний вид и структура диалогового окнасоответствует структуре каналов CPUIM.Удобное представление данных.

9. Итоги работы для проекта «Эльбрус-3М». Все рассмотренные средства, связанные с CPUIM,в разное время применялись или продолжаютприменяться на практике. С помощью медленного внешнего канала и инженерногопульта управления CPUIMудалось отладить работуDDR SDRAMиEEPROM, после чего быстрый внешний каналбыл успешно использован для подключения прототипа CPU«Эльбрус» на ПЛИСк рабочей станции, что позволилоначать совместную отладку рабочей станции исистемного ПО: двоичный транслятор, x86 BIOS, ОС Linux. С помощьюCPUIMбыли найденыошибкив системной логике,а также своевременно обнаружены проблемыс механическим и электрическим качеством печатных плат проекта. В настоящее время CPUIM совместно с прототипом CPU успешно используется для тестирования логики будущей 2-ой итерацииCPU «Эльбрус» на стандартном ПО «Эльбрус».

10. Благодарю за внимание.