さて、サブシステムの共有メモリを実装する際には、実機では図141.1のようにメインCPUがサブCPUをHALTさせてアクセスしています。前稿のように、共有メモリは128ByteとなっていてメインCPUとサブCPUの間に物理的な128Byteのメモリがあるように思えますが、実態はサブCPUの物理メモリ(MB8416, 2KB SRAM)の半分しか使用しておらず(\$D000~\$D3FFの1KB SRAMとして使用)、さらにそのうちのメインCPUから見える窓が128Byteであり、メインCPUが使用する際にはHALTをかけてサブCPUのバスを開放し、メインCPUがアクセスするという構造のようです。

物理メモリのMB8416がシングルポートで同時にアクセス不可であるため、HALTによりバスを開放させています。FPGA実装では、デュアルポートRAMが可能なので同時アクセス可なのですが、同時にアクセスすると、サブCPUがコマンドを読み出し中に、メインCPUが書き換えてしまうという論理的なデータ競合の問題が起こります。従って、メインCPUとサブCPUの論理的な同期化のために、HALT信号が必要です。

ところが、図138.2をみてもわかるように、本IPの信号はLSIの6809と異り、HALT端子がありません。従って、HALTREQ、HALTACK端子を実装します。

IPの6809のソースを追うと、FSMの最初に割込み受信のコードが存在します。その辺に以下のような疑似コードを挿入します。HALTREQ信号をhaltreq変数に入れているのは、HALTREQ信号を見るのは一か所にしたかったためです。逆に複数個所でHALTREQ信号を見ると、状態の不一致が起きる可能性があります。

もしHALTREQ信号がHならば、
　haltreq変数をHにし、
　現stateがSEQ_HALTで無い場合にのみ、stateを戻りステートとして保存し、
　次のサイクルでSEQ_HALTに移行
そうでなければ
　haltreq変数をLにする

SEQ_HALT:
　もしhaltreq変数がHならば、
　　HALTACKをHにし、
　　次のサイクルでSEQ_HALTに移行
　そうでなければ、
　　HALTACKをLにし、
　　次のサイクルで戻りステートに移行

これをVerilogで記述すれば、

となります。

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ROMデータからCOEデータを作成するスクリプト。

#! /usr/bin/bash -f
FILE_NAME=\${1}
FILE=\${FILE_NAME%.*}
echo 'memory_initialization_radix=16;' > \$FILE.coe;
echo -n 'memory_initialization_vector=' >> \$FILE.coe;
od -An -t x1 -v \$FILE_NAME >>\$FILE.coe
echo ';' >> \$FILE.coe

これにより、

-rwxrwx--- 1 root vboxsf 1631 7月 25 16:56 boot_bas.coe
-rwxrwx--- 1 root vboxsf 1631 7月 25 16:57 boot_dos.coe
-rwxrwx--- 1 root vboxsf 97279 7月 25 16:57 fbasic30.coe
-rwxrwx--- 1 root vboxsf 31423 7月 25 16:59 subsys_c.coe

の4つのファイルを作成し、FPGAに組み込みます。

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アドレス空間

6809デュアルCPUシステムの、メインCPU及びサブCPUのそれぞれのアドレス空間を示します。

これは、FM-7仕様のアドレス空間であり、FM-7用のソフトウェアを動作させることを目的としています。

これとネットで入手したROMデータの対比表です。ROMのアドレスをグレーで表記しています。

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Vivadoによる6809サブシステム回路図です。

注意としては、下図のようにCPU RESETが負論理で現れますが、正論理なので与えるリセットの論理に注意します。

前稿のプログラムを6809で実行した結果を下図に示します。6809は2MHzで動作させています。

画面書き換えが上から下に進むのがはっきり見えますが、これは2MHz動作の6809だからであり、8MHzに上げて見ると書き換えがほとんど見えなくなるほど速くなりました。

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次に、

$ cat header.coe > rom.coe; od -An -v test.o >>rom.coe; echo ';' >> rom.coe

ただし、header.coeは、

memory_initialization_radix=16;
memory_initialization_vector=

これを実行すると、

memory_initialization_radix=16;
memory_initialization_vector=
4f 8e 00 00 a7 80 4c 8c 3e 7f 25 f8 8e 40 00 a7
80 4c 8c 7e 7f 25 f8 8e 80 00 a7 80 4c 8c be 7f
25 f8 20 dd 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
　:
　:
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 c0 00
;

というテキストファイルのCOEファイルが生成されるので、これをROMデータとしてFPGAに組み込みます。

本プログラムはVRAMのアドレスにデータを書き込み、次のアドレスに別のデータを書き込みという処理を繰り返し、VRAMをランダムなデータで埋めるものです。RGBで異なるデータを書き込むために、カラフルな縞模様を表示します。

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さて、目的はレトロコンピュータの設計ですが、そのために8bit CPUを搭載します。ここでは使用するソフトウェアの関係上6809を取り上げます。入手元はOpen Coresで、VivadoにはRTLとして取り込みます。
https://opencores.org/projects/6809_6309_compatible_core

開発ツールが必要ですが、6809アセンブラを以下から入手します。
https://www.6809.org.uk/asm6809/

画面表示用のサンプルソースファイルをテキストエディタで、

VRAMB　equ　\$0000
VRAMR　equ　\$4000
VRAMG　equ　\$8000
;
start　org　\$c000
;
　clra
l1　ldx　#VRAMR
l2　sta　,x+
　inca
　cmpx　#VRAMR+16000-1
　blo　l2
;
　ldx　#VRAMG
l3　sta　,x+
　inca
　cmpx　#VRAMG+16000-1
　blo　l3
;
　ldx　#VRAMB
l4　sta　,x+
　inca
　cmpx　#VRAMB+16000-1
　blo　l4
　bra　l1
;
　org　\$fffe
　fdb　start
;
　end

として、以下のようにアセンブルします。

asm6809 --bin test.asm -l test.lst -o test.o

以下のアセンブルリストのようにアセンブルされ、合わせてバイナリファイルが生成されます。

0000　　　　　　　　　VRAMB　 equ　　 \$0000
4000　　　　　　　　　VRAMR　 equ　　 \$4000
8000　　　　　　　　　VRAMG　 equ　　 \$8000
　　　　　　　　　　　;
C000　　　　　　　　　start　 org　　 \$c000
　　　　　　　　　　　;
C000　4F　　　　　　　　　　　clra
C001　8E0000　　　　　l1　　　ldx　　 #VRAMR
C004　A780　　　　　　l2　　　sta　　 ,x+
C006　4C　　　　　　　　　　　inca
C007　8C3E7F　　　　　　　　　cmpx　　#VRAMR+16000-1
C00A　25F8　　　　　　　　　　blo　　 l2
　　　　　　　　　　　;
C00C　8E4000　　　　　　　　　ldx　　 #VRAMG
C00F　A780　　　　　　l3　　　sta　　 ,x+
C011　4C　　　　　　　　　　　inca
C012　8C7E7F　　　　　　　　　cmpx　　#VRAMG+16000-1
C015　25F8　　　　　　　　　　blo　　 l3
　　　　　　　　　　　;
C017　8E8000　　　　　　　　　ldx　　 #VRAMB
C01A　A780　　　　　　l4　　　sta　　 ,x+
C01C　4C　　　　　　　　　　　inca
C01D　8CBE7F　　　　　　　　　cmpx　　#VRAMB+16000-1
C020　25F8　　　　　　　　　　blo　　 l4
C022　20DD　　　　　　　　　　bra　　 l1
　　　　　　　　　　　;
FFFE　　　　　　　　　　　　　org　　 \$fffe
FFFE　C000　　　　　　　　　　fdb　　 start
　　　　　　　　　　　;
0000　　　　　　　　　　　　　end

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SVGAの物理画面のグラフィックタイミングは変更しないので、RTLはタイミングに関してはほとんど変更ありません。以下は元のRTLのグラフィックタイミング定義部分です。

parameter HD=800; // Phyisical Display Timing Horizontal
parameter HFP=40;
parameter HSP=128;
parameter HBP=88;
parameter HO=HFP+HSP+HBP;
parameter HL=HD+HO; // 1056

parameter VD=600; // Phyisical Display Timing Vertical
parameter VFP=1;
parameter VSP=4;
parameter VBP=23;
parameter VO=VFP+VSP+VBP;
parameter VL=VD+VO; // 628
parameter EHD=512; // Embedded Display Timing Horizontal
parameter EVD=512; // Embedded Display Timing Vertical

parameter HW=11;
parameter VW=10;
parameter EHOFF = (HD-EHD)/2; // Embedded Display Offset Horizontal
parameter EVOFF = (VD-EVD)/2; // Embedded Display Offset Vertical

このうち、論理画面のサイズについて、赤字のように修正します。

parameter EHD=640; // Embedded Display Timing Horizontal
parameter EVD=400; // Embedded Display Timing Vertical

parameter HW=12;

しかしながら、Space Invadersと異なり、Xが2の階乗でないため、アドレスカウンタがXとYについてきれいにフィールドで分かれません。従って、水平、垂直カウンタとは別に、VRAMアドレスカウンタを設け、EHD&EVDのディスプレイタイミングでカウントイネーブルをかけます。このようにすれば、表示期間のみアドレスが進み、穴が空く(表示の隣り合うビットが物理的には離れたアドレスに位置する)ことはありません。

さらに、アドレスカウンタを偶数用、奇数用に分け、水平ラインの偶数と奇数でカウンタを進み分けることで、同じアドレスを2回出力することにします。これで縦の2倍拡大が行えます。

実際に動かしてみると、データ表示のビット並びが逆順になっているようです。dual port memoryのA側(CPU側)は8bit幅、B側(ディスプレイ側)は1bit幅で、dual port memoryの内部に8:1のマルチプレクサがあるはずです。表示されたビットの並びが思ったのと逆だったので、アドレス下位3bitを反転することで正しい並びになりました。

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概略が決定できたので、詳細設計を行います。各パラメータはVGAタイミングのサイトで決定すると、以下の表のようになります。

これに基づき、水平、垂直のタイミングチャートを書くと、以下の図のようになります。

参考のため、HD (Horizontal Display Timing)及びVD (Vertical Display Timing)を示していますが、実際には不要であるため、信号は存在しません。その代わりにEHD (Embedded Horizontal Display Timing)及びEVD (Embedded Vertical Display Timing)を生成し、画面のブランキングを行っています。前稿の物理画面の中に論理画面が存在しますが、論理画面に対するディスプレイタイミングが、このEHD及びEVDとなります。

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ある目的があり、グラフィックメモリシステムの設計を再度行います。前回設計しているので、パラメータを少々変更するだけで簡単にできそうな気がします。

さて、設計仕様は、昔の8bit PCのVGAをエミュレートするものです。640dotx200dotのRGB各1bitの8色という仕様ですが、横に対して縦のドット数が小さいですね。VGAタイミングのサイトだと640x400というものはあっても、640x200というサイズはありません。

画面が横長に歪であることには理由があり、アドレス空間が16bitであることが関係していると思われます。640x400にすると、RGB各1bit(2^3=8色)だと、メモリに対して8bitアクセスの場合、96,000アドレスとなり、アドレスラインは17bit必要となり、通常の8bitマイコンの16bitアドレス空間として1bit足りません。しかたなく解像度を半分の640x200にすれば、3原色で48,000アドレスとなり、アドレスラインは16bit空間に入ります。

先のFIFOを用いたデザインを再利用して、タイミングだけを変更しようとしたのですが、再検討ついでにFIFOが削除できたので、そのデザインを再利用します。これだと計算が簡単で、dual port memoryで分離されている非同期クロックドメインであるため、ビデオ系のタイミングしか検討する必要がありません。

画面構成が640x200なので、それに基づき前回と同じSVGA(800x600)のタイミングで設計することにします。

Space Invadersの画面設計を示します。左が論理画面、右が物理画面です。SVGAの物理画面の中央に論理画面を配置し、適宜拡大します。論理画面が256x256と小さいので、縦横2倍の拡大表示を行います。

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前稿で設計したグラフィックディスプレイコントローラですが、あとから振り返るとFIFOが無駄であることに気づきました。早速リファクタリングします。

リファクタリング前のクロックドメインが3つあるのに比べて、リファクタリング後は2つに減っています。それだけでなく、FIFOとメモリをリードしてFIFOに入れる回路の2つを削減しています。これはdual port memoryが本来FIFOの役割を果たすためです。

FIFOとメモリ読み出し回路を削減し、メモリ読み出し回路から出ていたメモリアドレスをグラフィックコントローラから出す変更により、問題なくリファクタリングが達成できました。

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