利用Digilent Spartan-3 優(yōu)秀性能來實現(xiàn)Oberon系統(tǒng)

賽靈思 Spartan-3開發(fā)板成為作者改進其軟件教育用的Oberon 編程語言和編譯器的基礎。

1988 年，Jürg Gutknecht 和我一起完成并出版了Oberon 編程語言[1,2]，其為我職業(yè)生涯早期開發(fā)的另外兩種編程語言Pascal 和Modula-2 的后續(xù)版本。與Modula-2 相比，我們最初設計Oberon 編程語言力求更加精簡和高效，以便能夠更好地幫助教學人員為計算機科學專業(yè)的學生教授系統(tǒng)編程。我們再接再勵，于1990 年針對可采用windows 系統(tǒng)和具有字處理能力的工作站開發(fā)了Oberon 操作系統(tǒng)(OS)，以此作為工作站的現(xiàn)代實現(xiàn)方式。接著，我們出版了一本書，名為《Project Oberon》，詳細講解了Oberon 編譯器以及與之同名的操作系統(tǒng)。此外，書中還包括詳細的指令和源代碼。

幾年前，我的朋友Paul Reed 建議我重新修訂并再次出版這本書，不僅因為這本書對系統(tǒng)設計教學具有重要價值，同時還因為這本書可以作為良好的切入點，幫助那些想要成為創(chuàng)新者的人們從零基礎構建可靠的系統(tǒng)。

然而，我當時實際上是遇到了很大的困難。我最初開發(fā)的編譯器是將已基本消失了的處理器作為目標。因此，我的解決辦法就是為現(xiàn)代處理器重新編寫編譯器。但在做了不少研究之后，我無法找到一款能夠在清晰度、規(guī)律性和簡潔性上符合我標準的處理器。因此，我自己設計了這款編譯器。而我之所以能夠將該想法付諸實現(xiàn)，都是因為現(xiàn)代FPGA 能夠幫助我設計硬件以及系統(tǒng)軟件。更重要的是，選擇賽靈思FPGA 能幫助我更新系統(tǒng)，同時讓設計盡可能接近自1990 年以來的原始版本。

實現(xiàn)在低成本Digilent Spartan?-3開發(fā)板上的新型處理器RISC 負責托管1MB 靜態(tài)RAM (SRAM) 內存。我唯一添加的系統(tǒng)硬件就是一個鼠標接口和一個用來替換舊系統(tǒng)中硬盤驅動器的SD 卡。

這本書和面向整個系統(tǒng)的源代碼可在projectoberon.com[3,4,5] 中查閱，也可在該網(wǎng)站上名為 S3RISCinstall.zip. 的單個文件中進行查閱。該文件包含指令、SD 卡文件系統(tǒng)圖像和FPGA 配置比特文件（對于Spartan-3開發(fā)板的 Platform Flash，此為PROM文件形式），以及SD 卡/ 鼠標接口硬件的構造詳圖。

RISC處理器
該處理器由算術邏輯單元、由16 個32 位寄存器組成的陣列和帶指令寄存器、IR 及程序計數(shù)器PC 的控制單元組成。Verilog 模塊RISC5 就是該處理器的典型代表。

該處理器具有20 種指令：4 種用于移動、偏移和旋轉；4 種用于邏輯運算；4 種用于整數(shù)運算；4 種用于浮點運算；2 種用于存儲器訪問；2 種用于分支。

RISC5 通過運行環(huán)境RISC5Top導入。該運行環(huán)境包括到各種（內存映射）器件和SRAM(256M×32 位)的接口。整個系統(tǒng)（圖1）包括以下Verilog 模塊（見行統(tǒng)計）：

圖1 – 該系統(tǒng)及其所含Verilog模塊的方框圖

在低成本FPGA開發(fā)板上實現(xiàn)Oberon系統(tǒng)

我將內存映射到黑白VGA 顯示器中，這樣它只占用1024×768×1位/ 像素=98304 字節(jié)，基本上占 1MB 可用主內存的10%。該SD 卡將取代初始系統(tǒng)中80MB 的硬盤驅動器，其可通過能夠接受并序列化字節(jié)或32 位字的標準SPI 接口進行存取。鍵盤和鼠標通過標準PS-2 串行接口連接。此外，還提供一根串行異步的RS-232 線和一個通用8 位并行的I/O接口。模塊RISC5Top 還帶有一個每毫秒采用增量式計數(shù)的計數(shù)器。

OBERON操作系統(tǒng)
該操作系統(tǒng)軟件由包括內存分配器（帶垃圾回收器）的內核、文件系統(tǒng)以及引導載入程序、文本系統(tǒng)、瀏覽器系統(tǒng)和文本編輯器組成。

名為“Oberon”的模塊是中心任務調度程序，而“System”是基礎命令模塊。通過點擊顯示器上任何瀏覽器文本“M.P”上的中間按鈕即可觸發(fā)動作，其中P 是模塊M 聲明的程序名。如果M 不存在，則會自動加載。但是，大多數(shù)文本編輯命令是通過簡單的鼠標點擊觸發(fā)的。其中，左邊一欄按鈕用來設置" 脫字" 符，標記文本位置，右邊一欄按鈕用來選擇文本字段（text stretch）。

“Kernel”模塊包括磁盤存儲管理和垃圾回收器。我保證觀察瀏覽器是平鋪的，不重疊。標準布局顯示了多個瀏覽器的兩條垂直軌跡。只需拖動標題欄，就可以放大、縮小或移動它們。圖2 顯示了在顯示器上運行的用戶界面以及Spartan-3 開發(fā)板、鍵盤及鼠標。

圖2 - 顯示用戶界面的顯示器（Spartan-3開發(fā)板在右側）

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本文導航

第 1 頁：利用Digilent Spartan-3 優(yōu)秀性能來實現(xiàn)Oberon系統(tǒng)
第 2 頁：系統(tǒng)模塊
第 3 頁：結論

FPGA(591969) FPGA(591969)

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digilent Spartan-3E起步板介紹

若需要依托Xilinx? Spartan-3E FPGA芯片進行設計，Spartan-3E起步板是您的最佳選擇。Spartan?-3E起步板提供了一個功能強大、高性能的獨立開發(fā)平臺，搭載一塊50萬門的Spartan-3E FPGA芯片，配有32位RISC處理器和DDR接口。

2019-11-14 16:04:45

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