CoProcessador para o segundo problema do PBL de Sistema Digitais

Estrutura implementada | ISA | Barramentos

Este coprocessador foi desenvolvido como complemento para o segundo problema de Sistemas Digitais. Tem como objetivo ser um Co-Processador para a realização de zoom in e zoom out em imagens de 320 por 240 pixeis.

Estrutura do CoProcessador

Estrutura do CoProcessador

Figura 1 - Diagrama de blocos da estrutura do CoProcessador desenvolvido

O CoProcessador desenvolvido implementa uma arquitetura simples, sem pipeline ou qualquer forma de paralelismo, assim se faz necessario esperar uma instrução se encerrar para tentar execultar uma nova. A estrutura do CoProcessador é composta por:

• Memorias: É composto por 3 memorias utilizando a arquitetura on chip memory da ciclone V, são 3 memorias do tipo ram dual port com sinais de clock sincronos.
• UEA: Unidade dee Execução de Algoritmos. É responsavel por realizar os calculos de endereçamento alem de operar os pixeis de modo a atender ao algortimo escolhido.
• Unidade de controle: É responsável por gerenciar o fluxo de dados entre os componentes do CoProcessador alem de gerenciar o envio das flags de resultado para o processador (HPS).
• Decodificador: É responsável por decodificar as instruções recebidas do processador (HPS) e enviar os bits para a unidade de controle e para a unidade de execução de algoritmos.
• Modulo VGA: Responsavel por exibir as informações da memoria ram 2 na tela atraves da porta VGA Presente na DE1-SoC.

[!NOTE] Até o presente momento a UEA e a UC estão localizadas no mesmo bloco always, mas serão separadas futuramente, sendo a UEA movida para o modulo Memory Control e a UC permanecendo no bloco always atual.

Tempo de execução das instruções

Tempo de execução das instruções

Para cada operação de leitura nas memorias são necessarias 3 ciclos de clock de 100 MHz. alem disso, é necessario mais um ciclo para a finalização e retorno para o estado de espera. Para a execução de algoritmos o numero de ciclos necessarios é muito superior devido a quantidade de passos a serem execultados.

[!NOTE] Para facilitar a utilização foi inserida uma flag de done que é ativada quando a instrução é concluida, assim basta aguardar o valor dessa flag ser atualizado para 1 para saber que a instrução foi concluida.

Barramentos

Barramentos

O modulo do Coprocessador conta com dois barramentos de entrada e dois de saida

Barramento	Tipo	Tamanho
instruction	Input	29 bits
enable	Input	1 bit
DataOut	Output	8 bits
Flags	Output	4 Bits

Barramento de Instruções

Barramento de instruções

Este barramento é responsavel por enviar ao Coprocessador as instruções a serem execultadas. O barramento de instruções é de 29 bits sendo 3 deles dedicados aos 8 OP Codes que o coprocessador possui, as intruções possuem campos e formatos diferentes, sendo assim nem todas as instruções utilizam os 29 bits.

[!NOTE] No coprocessador, esses dados estão seccionados em 4 barramentos distintos mas que podem ser atribuidos a um unico PIO.

Barramento de habilitação do funcioinamento (Enable)

Barramento de habilitação do funcioinamento (Enable)

Este barramento serve para informa ao processador que deve ser realizada a instrução que estiver no barramento de instruções. Ele é ativo em nivel logico alto e desativado em nivel logico baixo.

[!NOTE] O sinal ENABLE é utilizado para sincronismo entre o coprocessador e o barramento de instruções. [!WARNING] A cada operação deve se alterar o valor para 1 apenas após inserir a instrução no barramento de instruçõe ser realizada, seu valor deve retornar a zero antes da execução da proxima instrução.

Barramento de Saida (DATA_OUT)

Barramento de Saida (DATA_OUT)

O barramento de saida armazena o valor do pixel da imagem original ou da imagem alterada com base no endereço solicitado pela instrução de load. Este valor permanece no barramento até que uma nova instrução seja solicitada.

Barramento de Flags

Barramento de Flags

O barramento de flags é responsavel por armazenar as flags de done, erro, zoom_maximo e zoom_minimo. No coprocessador essas flags estão separadas em quatro saidas distindas, mas podem ser associadas a um unico PIO, já que cada flag se trata de um valor unitario. Quando uma das flags for ativa seu valor logico será de 1 , caso contrario seu valor será 0.

Flag	Significado
Error	Flag ativada quando a operação realizada resulta em algum erro e o valor disponivel em DATA_OUT é invalido.
Max_zoom	Flag ativada quando o zoom maximo foi alcançado, não sendo possivel efetuar uma operação de zoom in após está flag estar ativa.
Min_zoom	Flag ativada quando o zoom minimo foi alcaçado, não sendo possivel efetuar uma operação de zoom out após está flag estar ativa.
Done	Flag ativada quando uma operação é finalizada.

Conjunto de Instruções (ISA)

Conjunto de instruções (ISA)

O coprocessador conta com um conjunto de 8 instruções que podem ser utilizadas para realizar operações aritmeticas, de armazenamento e de leitura de dados.

[!WARNING] Uma instrução não é uma função, uma instrução é uma sequencia de bits que dizem ao coprocessador o que fazer, não possui um "retorno" como a chamada de uma função. O que acontece é que ao fim da execução de uma instrução, o coprocessador podera colocar um valor no barramento de saida e/ou atualizar os valores das flags, mas não são todas as intruções que possuem uma escrita no barramento de saida ou no barramento de flags. [!NOTE] Nem todas as operações utilizão todos os 29 bits disponiveis, observar os campos de cada instrução para evitar perda de dados ou problemas de funcionamento. [!WARNING] Os campos das instruções de dos dados saem do mais significativo para o menos, ou seja, o campo do opcode da instrução começa no bit 0 e vai até o bit 2 e o mesmo se aplica aos demais campos de acordo com a instrução a ser utilizada.

Tabela de Instruções

Tabela de Instruções

OP Code	Nome da operação	Descrição
000	REFRESH	Informa ao coprocessador que uma nova imagem foi carregada na memoria A e atualiza a memória de exibição para essa nova imagem.
001	LOAD	carrega no barramento de SAIDA o valor do pixel associado ao endereço solicitado na instrução.
010	STORE	Usado para guardar um valor de pixel na memoria A.
011	Vizinho mais proximo para zoom in	Usado para realizar operação de vizinho mais proximo para zoom in.
100	Replicação de pixel	Usado para realizar operação de replicação de pixel para zoom in.
101	Vizinho mais proximo para zoom out	Usado para realizar operação de vizinho mais proximo para zoom out.
110	Média de blocos	Usado para realizar operação de media de blocos para zoom out.
111	Reset	Usado para reiniciar o coprocessador, retornar o zoom para o padrão e a imagem para a que esta armazenada na memoria A.

Descrição detalhada de cada uma das instruções com seus respectivos campos e possiveis flags

[!NOTE] A unica instrução capaz de retornar um valor pelo barramento de dados é a intrução de LOAD, todas as outras não retornam ou alteram o valor que esta no barramento [!WARNING] Para realizar uma operação sobe uma imagem de tamanho maximo 320x240 é necessario realizar a operação de STORE 76800 vezes, sabendo que a cada vez que a instrução é realizada, é armazenado o valor de um pixel na memoria A que guarda a imagem original.

REFRESH instruction

REFRESH

Campos da instrução REFRESH

Nome do Campo	Descrição	tamanho	Bit final	Bit inicial
Opcode	Codigo da operação (000)	3 bits	2	0
Não usados		26 bits	28	3

Flags que podem ser ativadas

Essa instrução não tiva nenhuma flag execeto a flag de DONE

Figura 2 - Estrutura da instrução REFRESH

LOAD instruction

LOAD

Campos da instrução LOAD

Nome do Campo	Descrição	tamanho	Bit final	Bit inicial
Opcode	Opcode da instrução (001)	3 bits	2	0
Address	Endereço do pixel a ser lido	17 bits	19	3
Sel Mem	Memoria a ser lida	1 bit	20	20
Não usados		9 bits	28	21

[!NOTE] Para endereçamento o valor pode ir de 0 a 76799, case seja passado um valor maior que este a flag de erro será ativa.

• Flags que podem ser ativadas
  • Error Endereçamento incorreto ou falha na leitura.
  • Done Fim da execução da instrução

Figura 3 - Estrutura da instrução LOAD

STORE instruction

STORE

Campos da instrução STORE

Nome do Campo	Descrição	tamanho	Bit final	Bit inicial
Opcode	Opcode da instrução (010)	3 bits	2	0
Address	endereçamento que o pixel será escrito	17 bits	19	3
Sel Mem	Campo não utilizado	1 bit	20	20
Valor	valor do pixel a ser escrito com 8 bits, em escala de cinza	8 bits	28	21

[!NOTE] O valor maximo para endereçamento é de 76799, caso seja passado um valor maior que este a flag de erro será ativada. [!WARNING] Ao escrever um pixel na memoria, nenhuma alteração será exibida até que um algoritimo de zoom seja realizado ou ate que a instrução REFRESH seja chamada.

• Flags que podem ser ativadas
  • Error Endereçamento incorreto ou falha na escrita.
  • Done Fim da execução da instrução

Figura 4 - Estrutura da instrução STORE

Vizinho mais proximo para zoom in (NHI_ALG instruction)

Vizinho mais proximo para zoom in (NHI_ALG instruction)

Campos da instrução NHI_ALG

Nome do Campo	Descrição	tamanho	Bit final	Bit inicial
Opcode	Opcode da instrução (011)	3 bits	2	0
Não usados		26 bits	28	3

• Flags que podem ser ativadas
  • Max zoom Foi alcançado o zoom maximo de 8x permitido pelo coprocessador
  • Error falha na realização da operação.
  • Done Fim da execução da instrução

Figura 5 - Estrutura da instrução NHI_ALG

Replicação de Pixel (PR_ALG instruction)

Replicação de Pixel (PR_ALG instruction)

Campos da instrução PR_ALG

Nome do Campo	Descrição	tamanho	Bit final	Bit inicial
Opcode	Opcode da instrução (100)	3 bits	2	0
Não usados		26 bits	28	3

• Flags que podem ser ativadas
  • Max zoom Foi alcançado o zoom maximo de 8x permitido pelo coprocessador
  • Error falha na realização da operação.
  • Done Fim da execução da instrução

Figura 6 - Estrutura da instrução PR_ALG

Vizinho mais proximo para zoom out (NH_ALG instruction)

Vizinho mais proximo para zoom out (NH_ALG instruction)

Campos da instrução NH_ALG

Nome do Campo	Descrição	tamanho	Bit final	Bit inicial
Opcode	Opcode da instrução (101)	3 bits	2	0
Não usados		26 bits	28	3

• Flags que podem ser ativadas
  • Min zoom Foi alcançado o zoom minimo de 0,125x permitido pelo coprocessador
  • Error falha na realização da operação.
  • Done Fim da execução da instrução

Figura 7 - Estrutura da instrução NH_ALG

Media de blocos (BA_ALG instruction)

Media de blocos (BA_ALG instruction)

Campos da instrução MULM

Nome do Campo	Descrição	tamanho	Bit final	Bit inicial
Opcode	Opcode da instrução (110)	3 bits	2	0
Não usados		26 bits	28	3

• Flags que podem ser ativadas
  • Min zoom Foi alcançado o zoom minimo de 0,125x permitido pelo coprocessador
  • Error falha na realização da operação.
  • Done Fim da execução da instrução

Figura 8 - Estrutura da instrução BA_ALG

RST instruction

RST

Campos da instrução RST

Nome do Campo	Descrição	tamanho	Bit final	Bit inicial
Opcode	Opcode da instrução (111)	3 bits	2	0
Não usado		26 bits	28	3

Flags que podem ser ativadas

Essa instrução não tiva nenhuma flag, execeto a flag done.

Figura 9 - Estrutura da instrução RST