惭颈办补苍翱厂と自作颁笔鲍を鲍厂叠で接続する
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MikanOSに搭載したUSB CDCドライバを用いて、自作CPUに機械語を送信する方法を説明します。
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自作CPUのアーキテクチャ
コール
スタック
メインメモリ
（FPGA内蔵BRAM）
0x000
0x200
0x3ff
機械語
プログラム
PC
ALU
FP
アドレス
insn[15:0]
0
1
…
15
演算用スタック
（16ビット幅）
読み出しデータ
BP
書き込みデータ
CPUコア
UART
送受信
RX
TX
機械語
書き込み
4](https://image.slidesharecdn.com/connectmikanostomyhandmadecpubyusb-220724020559-725d4830/85/MikanOS-CPU-USB-4-320.jpg)
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命令デコードと信号線
PUSH imm15
ADD
LD imm8
ST imm8
STA
JMP imm8
ニーモニック
xxxx
B002
90xx
94xx
9500
A0xx
機械語 機械語上位8ビットのデコード後信号
1_10_00_01_00_0_00_00
0_10_00_10_00_0_00_00
1_11_10_01_00_0_00_00
1_01_01_10_00_0_00_00
0_00_01_10_00_0_00_00
1_00_00_00_01_0_00_00
Imm 1=即値命令
Load 0=stack[0] 1=stack[1]、
2=ALU出力 3=メモリ
R 1=メモリ読込
W 1=メモリ書込
Pop 1=演算用スタックからポップ
Push 1=演算用スタックにプッシュ
Jmp 0=ジャンプしない、1=無条件
addr
data
a
b
addr
a
b
x
Load=0 & Pop=1
6](https://image.slidesharecdn.com/connectmikanostomyhandmadecpubyusb-220724020559-725d4830/85/MikanOS-CPU-USB-6-320.jpg)
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CDCドライバの実装（簡易版）
Error CDCDriver::SendSerial(const void* buf, int len) {
uint8_t* buf_out = new uint8_t[len];
memcpy(buf_out, buf, len);
ParentDevice()->NormalOut(ep_bulk_out_, buf_out, len);
uint8_t* buf_in = new uint8_t[8];
ParentDevice()->NormalIn(ep_bulk_in_, buf_in, 8);
return MAKE_ERROR(Error::kSuccess);
}
int CDCDriver::ReceiveSerial(void* buf, int len) {
const auto recv_len =
std::min(len, static_cast<int>(receive_buf_.size()));
auto buf8 = reinterpret_cast<uint8_t*>(buf);
for (int i = 0; i < recv_len; ++i) {
buf8[i] = receive_buf_.front();
receive_buf_.pop_front();
}
return recv_len;
}
Out方向のエンドポイント
でデータを送信する
In方向のエンドポイント
に対し受信をかけておく
デバイスからデータが
受信されていれば
receive_buf_に
データが書かれている
11](https://image.slidesharecdn.com/connectmikanostomyhandmadecpubyusb-220724020559-725d4830/85/MikanOS-CPU-USB-11-320.jpg)
惭颈办补苍翱厂と自作颁笔鲍を鲍厂叠で接続する
- 5. /15 命令体系 1+2; C言語 PUSH 1 PUSH 2 ADD アセンブラ 0001 0002 B002 機械語 機械語パターン 命令 0iii iiii iiii iiii imm15のPUSH 1011 0000 iiii iiii 2項演算命令、imm8はALU機能選択 x x x x 1 x x x 2 1 x x 3 x x x 演算用スタックの変化 PUSH 1 PUSH 2 ADD 5
- 6. /15 命令デコードと信号線 PUSH imm15 ADD LD imm8 ST imm8 STA JMP imm8 ニーモニック xxxx B002 90xx 94xx 9500 A0xx 機械語 機械語上位8ビットのデコード後信号 1_10_00_01_00_0_00_00 0_10_00_10_00_0_00_00 1_11_10_01_00_0_00_00 1_01_01_10_00_0_00_00 0_00_01_10_00_0_00_00 1_00_00_00_01_0_00_00 Imm 1=即値命令 Load 0=stack[0] 1=stack[1]、 2=ALU出力 3=メモリ R 1=メモリ読込 W 1=メモリ書込 Pop 1=演算用スタックからポップ Push 1=演算用スタックにプッシュ Jmp 0=ジャンプしない、1=無条件 addr data a b addr a b x Load=0 & Pop=1 6
- 9. /15 ちょっと脱線：レベル変換 ?AE-PIC18F14K50のTX端子電圧=5V ?Tang Nano 9KのIO端子（Bank 1,2）の入力 電圧範囲は-0.3V～3.6V ?直接繋ぐとTang Nano 9Kが壊れる ?→レベル変換回路を間に挟む 自作CPU UART端末 TX端子の出力電圧=5V RX端子の許容電圧=3.6V Nch MOSFETを用いた 双方向レベル変換回路 AE-PIC18F14K50 9
- 10. /15 USB CDCクラスドライバを作る ?CDC: Communication Device Class ?電話回線やイーサネットなどでの通信を行うデバイ スを包括するクラス ?ACM: Abstract Control Model subclass ?ATコマンド（電話をかけたり切ったりするコマン ド）で制御できる機器 xHCIドライバ USBバスドライバ クラスドライバ PCIバスドライバ USB ホスト USB デバイス Endpoint 0 Endpoint x Endpoint y Communication Class interface: 機器の管理と発信（call）の管理 Data Class interface: データの送受信 10
- 11. /15 CDCドライバの実装（簡易版） Error CDCDriver::SendSerial(const void* buf, int len) { uint8_t* buf_out = new uint8_t[len]; memcpy(buf_out, buf, len); ParentDevice()->NormalOut(ep_bulk_out_, buf_out, len); uint8_t* buf_in = new uint8_t[8]; ParentDevice()->NormalIn(ep_bulk_in_, buf_in, 8); return MAKE_ERROR(Error::kSuccess); } int CDCDriver::ReceiveSerial(void* buf, int len) { const auto recv_len = std::min(len, static_cast<int>(receive_buf_.size())); auto buf8 = reinterpret_cast<uint8_t*>(buf); for (int i = 0; i < recv_len; ++i) { buf8[i] = receive_buf_.front(); receive_buf_.pop_front(); } return recv_len; } Out方向のエンドポイント でデータを送信する In方向のエンドポイント に対し受信をかけておく デバイスからデータが 受信されていれば receive_buf_に データが書かれている 11
- 12. /15 クラスドライバの動作の様子 ?2つのインターフェースが認識されている ?Communication/Data Class interface ?Data Class interface用に2つのエンドポイント ?ep_idの最下位ビットは入出力の向きを表す ?0がOut（Host→Device）、1がIn（Device→Host） QEMU on WSL2 でMikanOSを起動 QEMUにCDC ACM 機器を接続してある 12
- 13. /15 CDC ACMのボーレート設定 ?自作CPUは機械語プログラムを115.2kbpsで受信する ?Linuxが勝手にCDC ACM機器を9600bpsに設定してしまう ?QEMU起動前に sudo stty -F /dev/ttyACM0 115200 すれば解決 ?CDC ACM機器のボーレートを変更するのはSetLineCoding要求 オフセット フィールド バイト数 説明 0 dwDTERate 4 ボーレート 4 bCharFormat 1 ストップビット数 0→1 bit, 1→1.5 bits, 2→2 bits 5 bParityType 1 パリティ設定 0→None, 1→Odd, 2→Even 6 bDataBits 1 データ幅 5, 6, 7, 8, 16 LineCoding構造体 13
- 15. /15 今後MikanOSに搭載したい機能 ?hex2bin: 16進数テキストをバイナリデータに変換するコマンド ?ハンドアセンブルでの実験用 ?ucc, uasm: ComProc用コンパイラ、アセンブラ ?echo/catと組み合わせて自作CPUのプログラミングが可能 ?FTDIドライバ ?市販のUSBシリアル変換はFTDIチップを使っていることが多い ?FTDIはCDC ACM仕様ではない、独自仕様 ?複数のUSBシリアル変換機器の識別と選択機能 ?現状、1つのデバイスしか使えない 15