PicoBlazeのソースを見ていて、自分でもこういうカリカリのソースを書いてみたいけど、プリミティブ一覧はどこにあるんだろう……
と思っていたら、ドキュメントの中にありました。
\Xilinx\doc\japanese\books\docs\lib\lib.pdf
今まで知らなかった……
また、ISE8.1iからWebpackでもFPGA Editorが使えるようになったので、それを見ながら更にカリカリにチューニングできるなぁ……
ということで、書いてみることにしました。
PICを４ビット化したものをベースに、最低限を少し下回るくらいの仕様を考えます。
より素直な命令体系にするため、スキップ系の命令の代わりに、条件分岐にします。
また、キャリー付き加算／減算を追加します。
PICが持っているSFRは全く持たないので、間接アドレシング、間接ジャンプはできません。
（余談ですが、PICを初めて使ったとき、SFRなしには間接アドレシングができないことに愕然としたものです）
データアドレスは８ビット（I/Oと共通）、プログラムカウンタは８ビット、スタックは16段です。
割り込みはありません。
結局、以下のようなインストラクションセットにしました。
0100 vv0d aaaa aaaa
00 ADDWF a,d キャリー無し加算 Z C
01 ADCWF a,d キャリー付き加算 Z C
10 SUBWF a,d キャリー無し減算 Z C
11 SBCWF a,d キャリー付き減算 Z C
d=0のときは結果をWレジスタに格納し、d=1のときは同じアドレスに書き戻します。
0100 vv10 xxxx llll
00 ADDLW l Wレジスタにlを加算 Z C
01 ADCLW l Wレジスタにlとキャリーを加算 Z C
10 SUBLW l lからWレジスタを減算 Z C
11 SBCLW l lからWレジスタとキャリーを減算 Z C
0101 vv0d aaaa aaaa
00 MOVF a,d データメモリからロード Z -
01 ANDWF a,d 論理積 Z -
10 IORWF a,d 論理和 Z -
11 XORWF a,d 排他的論理和 Z -
0101 vv10 xxxx llll
00 MOVLW l Wレジスタにlをロード - -
01 ANDLW l Wレジスタとlの論理積 Z -
10 IORLW l Wレジスタとlの論理和 Z -
11 XORLW l Wレジスタとlの排他的論理和 Z -
0110 xx0d aaaa aaaa
RRF a,d 右ローテート Z C
前もってADDLW 0などでキャリーフラグをクリアしておけば論理右シフトになります。
左ローテートはADCWFで、左シフトはADDWFで代用します。
0111 xx01 aaaa aaaa
MOVWF a Wレジスタからデータメモリへストア
1100 xxxx aaaa aaaa
B a 無条件分岐
1101 vvxx aaaa aaaa
00 BNZ a Z=0なら分岐
01 BZ a Z=1なら分岐
10 BNC a C=0なら分岐
11 BC a C=1なら分岐
減算時のキャリーフラグはPICとは逆で、Z80と同じです（C=1でボローあり）。
1110 xxxx aaaa aaaa
CALL a
1010 xxxx xxxx xxxx
RETURN
実装
スパルタン３用に全てプリミティブで記述し、FPGA Editorで結果を見ながら適宜MUXF5,MUXCY,XORCYプリミティブを使ったり、RLOC,BEL制約を追加して詰め込んだ結果、コアのみで32スライスとなりました。
この程度の大きさならパズル感覚で全てのスライスを手動で最適化するのも簡単です。
本当は、普通に書いても同じ大きさになるくらいツールにがんばって欲しいものですが。
ところで、PICで引き算をしたとき、C=0でボローありになりますが、この仕様だとXORゲートが１つ減らせることが分かりました。PICらしい設計思想です。
今回は、スライス内で余っているXORCYプリミティブを使い、スライス数は同じで自分にとって分かりやすい方を採用しました。
サンプル
スパルタン３スターターキット用のサンプルです。
コアの外にプログラムメモリとしてブロックRAMを１つ、データメモリとして16ニブル（64ビット）追加します。
I/Oは入力にプッシュスイッチ４つ、出力にLEDを４つ繋げました。
一番右のスイッチを押すと右に、その１つ左のスイッチを押すと左に、光が流れます。
このサンプルで37スライス、fmax=84MHzとなりました。１命令当たり１クロックで動作するので、84MIPSとなります。
サンプルの使い方を説明します。
アセンブルにAASMを使いますので、インストールしておいてください。
あと、objcopyも必要なので適当なGNU binutilsをインストールしてください（参考：MIPSマイコンを作ろう）。
いったんmakeしたあと、ISEのプロジェクトファイルを作り、以下のファイルを登録します。
kp4_top.v
kp4_top.ucf
kp4_core.ngc
rom.sを書き換えればいろいろなプログラムを試すことができます。
スライドスイッチや７セグLEDなど、I/Oを追加したいときはkp4_top.vを適当に書き換え、ピン配置をkp4_top_ucf.tmplに書いてください。
PicoBlazeより非力でも、更に小さいコアが欲しいとき使えるかも知れません。
download
このソース（NGCファイルを含む）は、非営利目的に限り自由に使用できます。
ただし、いっさいの保証もサポートもありません。