Eğitim amaçlı temel bir mikroişlemci tasarımı ve gömülü sistem uygulaması

Abstract

Baskı devre çıkarma ve lehimleme ile devre tasarlamak hem çok zor hem de maliyetlidir. Devre karmaşıklığının artması tasarım metotlarının değişimini de hızlandırmıştır. Hem tasarımcılara esneklik sağlamak, tasarımın süresini ve maliyetini düşürmek hem de tasarımın dijital ortamda uygulanabilir olması için "Donanım Tanımlama Dilleri" (Hardware Data Language-HDL) ortaya çıkmıştır. Donanım tanımlama dili kullanarak, Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit-CPU) gibi karmaşık devreleri alt birimler halinde yazılımsal olarak tasarlamak ve tek bir Yonga Üzerinde Sistem (System on Chip-SoC) oluşturmak kolay hale gelmiştir. Tasarımları deneyip görmek için de Sahada Programlanabilir Kapı Dizileri (Field Programmable Gate Array-FPGA) gibi tekrar programlanabilir tümleşik devre kartları geliştirilmiştir. Tasarlanan bir mikroişlemci FPGA kartlarına yüklenebilir ve FPGA kartları üzerinde çalıştırılabilir. Mikroişlemciyi bu şekilde somutlaştırmak, eğitim ortamında mikroişlemcinin yapısının ve çalışmasının daha iyi anlaşılmasını sağlar. Bu tez çalışmasında kullanılan mikroişlemci, Karmaşık Komut Kümesi Bilgisayar (Complex Instruction Set Computer- CISC) işlemci mimarisi ve Von-Neumann bellek yapısı modelindedir. Tek Çevrim (Single Cycle), 16 bit veri yolu ve 12 bit adres yoluna sahiptir. Her bir komut 16-bit kelime uzunluğuna sahiptir. Hem lojik komutları hem de saklama ve yer değiştirme komutlarını yürütebilmektedir. Bu mikroişlemci, Morris Mano' nun 16 Bitlik mikroişlemcisi temel alınarak Quartus uygulaması üzerinde "yüksek hızlı tümleşik devre tanımlama dili" (Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language-VHDL) yazılım dili kullanılarak tasarlanmıştır. Tasarlanan mikroişlemci, ModelSim uygulamasında simule edilmiş ve Intel (Altera) firmasının ürettiği DE0 Nano FPGA kartı üzerinde çalıştırılmıştır. Tasarlanan sistem gerçeklenmiş ve doğrulaması yapılmıştır.

It is very difficult and costly to design circuits with printed circuit boards and soldering. Increasing circuit complexity, it also accelerated the change of design methods. Hardware Data Language (HDL) has emerged to provide flexibility to designers, to reduce the time and cost of design, and to make the design applicable in the digital environment. Using hardware description language, it has become easy to design software in subunits complex circuits such as Central Processing Unit (CPU) and create a single System on Chip (SoC). In order to try and see the designs, reprogrammable integrated circuit boards such as Field Programmable Gate Array (FPGA) have been developed. A designed microprocessor can be installed on FPGA cards and run on FPGA cards. To embody the microprocessor in this way, it provides a better understanding of the structure and operation of the microprocessor in the educational environment. The microprocessor used in this thesis, is Complex Instruction Set The Computer (CISC) is in the model of the processor architecture and the Von-Neumann memory structure. It is Single Cycle, It has a 16-bit bus and a 12-bit address bus. Each instruction has a 16-bit word length. It can execute both logic commands as well as storage and relocation commands. Morris Mano's 16-bit microprocessor was designed on the Quartus application using Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) software language. The designed microprocessor is simulated in ModelSim application and it was run on the DE0 Nano FPGA board produced by Intel (Altera). The microprocessor is in the CISC processor architecture, the Von-Neumann memory structure model. The designed system has been implemented and verified.