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Forum: FPGA, VHDL & Co. Mit FPGA Computerbau möglich?


Autor: Erik Lamhase (eriklamhase)
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Hallo alle zusammen,

ich studiere Informatik und wir nehmen gerade die Rechnerarchitektur 
(Von-Neumann) durch.
Dabei wird während der Vorlesung ein kompletter (kleiner) Computer (ALU, 
Steuerwerk, zentraler Bus, Arbeitsspeicher, ...) zusammengebaut (also 
wir lernen wie man aus logischen Gattern z.B. eine AU und dann eine ALU 
zusammenbaut etc.) und mikroprogrammieren ihn dann.
Das ganze finde ich sehr interessant und plane daher neben den 
Vorlesungen einen Computer (dieser hat ein anderes Design, so das ich 
ihn z.B. direkt auf rekursive programmierung optimiere und ein paar 
anderen Änderungen zu dem Rechner aus unserer Vorlesung).
Da ich den Computer dann später synthetisieren möchte (besteht momentan 
aus einer Menge Zeichnungen) suche ich eine geeignete Plattform, bei der 
ich möglichst ohne Löten und möglichst schnell (und dann noch zu einem 
akzeptablen Preis) den Rechner herstellen kann.
Auf meiner Suche nach einer passenden Plattform bin ich über FPGA 
gestolpert.
Da ich noch nicht den Aufbau eines kompletten Computers kenne weiß ich 
nicht ob diese Plattform möglichst optimal für mein Vorhaben ist bzw. ob 
es damit überhaupt möglich ist.

Daher ist meine Frage: Kann ich bei FPGAs einzelne Logik-Gatter 
definieren und diese dann verschalten und habe ich damit die Möglichkeit 
einen zentrallen Datenbus zu realisieren (z.B. für die Ankoplung der 
Register an meine ALU). Ich lese immer etwas über VHDL, ich bin mir aber 
nicht sicher, ob  VHDL mir das liefert was ich benötige.

danke fürs durchlesen, mit freundlichen Grüßen
Erik

Autor: Strubi (Gast)
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Hi,

google mal nach "suska", oder Atari ST im FPGA. Da hat einer genau das 
gemacht. Beantwortet auch deine letzte Frage :-)

Gruss,

- Strubi

Autor: Christian R. (supachris)
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Klar geht das. Du kannst zum Beispiel bei Xilinx den MicroBlaze Softcore 
Prozessor in den FPGA implementieren, RAM ist intern im BRAM realisiert, 
nach außen hin gibts auch viele Schnittstellen. Damit kannst du mit 
einem FPGA Demobaord einen vollwertigen Rechner bauen, auf dem dann 
sogar Linux läuft.

Autor: Murkser (Gast)
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Schau mal hier: http://groups.inf.ed.ac.uk/pasta/hw_fpga.html

Eine CPU auf rekursive Programmierung zu optimieren wird übrigens nicht 
viel bringen. Zu viel Hardware-Aufwand für marginale 
Geschwindigkeitsvorteile, die eventuell durch eine geringere erzielbare 
Taktfrequenz wieder aufgefressen werden. Es hat in der Vergangenheit 
eine Reihe CPUs gegeben, die auf objektorientierte Programmierung, 
LISP-Programmierung usw. "optimiert" wurden, aber ein effizientes 
RISC-Design ist kaum zu schlagen. Es hat auch ein ganzes Jahrzehnt 
RISC-vs-CISC Debatten gegeben, bei denen es um ähnliche Dinge ging, 
nämlich ob der Instruktionssatz so mächtig sein soll, um die semantische 
Lücke zu den Hochsprachen zu schließen, oder ob recht simple 
Instruktionen ausreichen, die zu einer schlichteren Architektur führen 
und möglicherweise mit einer höheren Taktfrequenz implementiert werden 
können. Am Ende hat sich übrigens ein Hybrid durchgesetzt (x86) mit 
einem CISC-Instruktionssatz und einer internen RISC-ähnlichen 
Architektur.

Murkser

Autor: Christian Leber (Gast)
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Anderes Beispiel, die verwenden auch guenstige eval boards:

http://zet.aluzina.org/index.php/Zet_processor

Autor: Yo! (Gast)
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Ums kurz zu machen: Ein FPGA ist genau das Richtige für sowas.
Am besten deinen Rechner in VHDL bzw. Verilog implementieren oder eben 
mit dem Schematic Tool des jeweiligen Herstellers (Altera, Xilinx,..) 
(Von der Eingabe als Schaltplan würde ich aber eher abraten ;) )

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Erik Lamhase schrieb:
> Ich lese immer etwas über VHDL, ich bin mir aber
> nicht sicher, ob  VHDL mir das liefert was ich benötige.
VHDL ist wie Verilog eine Hardwarebeschreibungssprache.
Die meisten heutzutage käuflichen CPUs wurden in einer der beiden 
Sprachen beschrieben....

> Daher ist meine Frage: Kann ich bei FPGAs einzelne Logik-Gatter
> definieren und diese dann verschalten und habe ich damit die Möglichkeit
> einen zentrallen Datenbus zu realisieren (z.B. für die Ankoplung der
> Register an meine ALU).
In jedem halbwegs anspruchsvollen VHDL Buch wird heute irgendeine CPU 
beschrieben, das ist irgendwie hipp...  :-/
Leih dir mal das Buch VHDL-Synthese von Reichardt&Schwarz aus.

> Das ganze finde ich sehr interessant
> und plane daher neben den Vorlesungen einen Computer
Dir ist schon klar, dass für einen richtigen Computer etliche Mannjahre 
investiert werden? Und du willst das so nebenher machen? Krass...
Ich würde sagen, du solltest um deine FPGA-VHDL-Versuche erst mal mit 
den einfachen Dingen des Lebens beginnen: Lauflichter, serielle 
Schnittstellen und VGA-Spiele...
Und dann gibt es 2 Möglichkeiten:
1. deine CPU wird mit dem dabei gewonnen Wissen irgendwann fertig.
2. dein EVAL-Board ist billig bei EBAY zu haben.
Mir scheint, dass viele eher die 2. Möglichkeit ausnützen... :-/

Autor: user (Gast)
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also ich kann dir das Buch empfehlen: Peter J. Ashenden: The Designer's 
Guide to VHDL Second Edition

Autor: P. M. (o-o)
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Lothar Miller schrieb:
> Dir ist schon klar, dass für einen richtigen Computer etliche Mannjahre
> investiert werden? Und du willst das so nebenher machen? Krass...

Im Elektrotechnik- und Informatikstudium wird der Aufbau eines 
Prozessors vom Logikgatter bis zum Pipelining in ungefähr einem Semester 
detailiert durchbesprochen. Einen MIPS-Prozessor beispielsweise kann man 
aus grundlegenden Schaltelementen wie Register, Multiplexer, Addierer, 
etc. auf einer A4-Seite relativ problemlos aufzeichnen. Das dann noch in 
VHDL zu übersetzen ist überschaubar.

Autor: Yo! (Gast)
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P. M. schrieb:
> Einen MIPS-Prozessor beispielsweise kann man
> aus grundlegenden Schaltelementen wie Register, Multiplexer, Addierer,
> etc. auf einer A4-Seite relativ problemlos aufzeichnen.

Wünsche ich mir bei deinem nächsten Post als Anhang ;-)

Aber im Ernst: Kommt natürlich drauf an, was man will... einen 
"Computer" oder ne CPU im Stil eines core i7 wird man nebenher und auf 
nem FPGA eher nicht hinbekommen (oder nur mit 0,5 Hz ;) nach 30 Jahren 
Entwicklung ;) ) Aber für einen Anfänger sollte eine einfach 
Rechenmaschine schon drin sein mit entsprechender Einarbeitungszeit...


P. M. schrieb:
> Im Elektrotechnik- und Informatikstudium wird der Aufbau eines
> Prozessors vom Logikgatter bis zum Pipelining in ungefähr einem Semester
> detailiert durchbesprochen.

Und ich glaube mit dem was man in einem Semester so lernt wird man evtl. 
auch an der einen oder anderen Ecke seine Mühe haben.. der Teufel steckt 
bekanntlich im Detail...

Autor: Wissender (Gast)
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In einem Semester die Theorie einer CPU durchpauken ist okay. Diese auf 
einem FPGA zu implementieren nochmal deutlich anspruchsvoller. Aber 
kennen wir nicht alle diese Sonntag-Nachmittags-Langeweile-Projekte, aus 
denen idR nichts wird weil nach einer Woche die Motivation dahin ist und 
man sich in seiner Freizeit lieber anderen Dingen zuwendet (Freunde, 
Sport, das andere Geschlecht etc) :-)))

Autor: P. M. (o-o)
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Yo! schrieb:
> Wünsche ich mir bei deinem nächsten Post als Anhang ;-)

Hier, bitteschön: 
http://www.google.ch/images?hl=de&rlz=&=&q=mips+da...

Yo! schrieb:
> Aber im Ernst: Kommt natürlich drauf an, was man will...

Natürlich. Aber einen einfachen Prozessor mit ein paar Befehlen, wie 
eben beispielsweise ein MIPS-Kern, kriegt man gut hin. Wenn man Dinge 
hinzunimmt wie tiefe Pipelines, parallel ausgeführte Instruktionen, 
dynamische Zuweisung von Resourcen, Spezialoperationen, etc. dann wird 
es schnell beliebig kompliziert. Intel beispielsweise erschwert sich das 
Leben dann zusätzlich noch über die Altlasten des x86 Instruktionssatz - 
gerüchteweise soll ja ein wesentlicher Teil der Chipfläche dafür 
draufgehen, abwärskompatibel zu sein.

Autor: Yo! (Gast)
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P. M. schrieb:
> Yo! schrieb:
>> Wünsche ich mir bei deinem nächsten Post als Anhang ;-)
>
> Hier, bitteschön:
> http://www.google.ch/images?hl=de&rlz=&=&q=mips+da......

Ich dachte du malst das jetzt selbst ;)
Außerdem sind das leider alles recht abstrahierte Blockschaltbilder (gut 
hab nur flüchtig geschaut)... mir wurde doch ein Plan der nur aus 
Grundelementen besteht versprochen... schade ;)

P. M. schrieb:
> Einen MIPS-Prozessor beispielsweise kann man
> aus grundlegenden Schaltelementen wie Register, Multiplexer, Addierer,
> etc. auf einer A4-Seite relativ problemlos aufzeichnen.

Autor: P. M. (o-o)
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Yo! schrieb:
> Ich dachte du malst das jetzt selbst ;)

Nein, dafür war ich jetzt definitiv zu faul ;-) (Ich hab es schon mal 
gemacht, hab den Zettel aber nicht hier. Vielleicht grabe ich ihn am 
Abend mal aus.)


> Außerdem sind das leider alles recht abstrahierte Blockschaltbilder (gut
> hab nur flüchtig geschaut)... mir wurde doch ein Plan der nur aus
> Grundelementen besteht versprochen... schade ;)

Es sind nur Register, einfache arithmetische oder logische Blöcke und 
Multiplexer. Also nichts, das VDHL nicht kann oder das man nicht als 
74xx-IC bekommt.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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P. M. schrieb:
> Lothar Miller schrieb:
>> Dir ist schon klar, dass für einen richtigen Computer etliche Mannjahre
>> investiert werden? Und du willst das so nebenher machen? Krass...
> Im Elektrotechnik- und Informatikstudium wird der Aufbau eines
> Prozessors vom Logikgatter bis zum Pipelining in ungefähr einem
> Semester detailiert durchbesprochen.
Jo klar, gut, dass wir darüber gesprochen haben...  :-o
Zwischen "vorgekaut und halb verdaut angeliefert bekommen" und
"selber verstanden und gemacht" ist dann nochmal ein Semester.

> Einen MIPS-Prozessor beispielsweise kann man
> aus grundlegenden Schaltelementen wie Register, Multiplexer, Addierer,
> etc. auf einer A4-Seite relativ problemlos aufzeichnen.
Warum arbeitet bei der Firma dann noch ein 2. Entwickler, wenn einer 
sich das ein Semester lang anhört und dann im nächsten halben Jahr das 
Zeug selber macht?

> Das dann noch in VHDL zu übersetzen ist überschaubar.
Das grenzt jetzt an Überheblichkeit. Im Ernst!
Ich bin mir nur nicht so sicher von welcher Seite her... :-o

>> Außerdem sind das leider alles recht abstrahierte Blockschaltbilder (gut
>> hab nur flüchtig geschaut)... mir wurde doch ein Plan der nur aus
>> Grundelementen besteht versprochen... schade ;)
> Es sind nur Register, einfache arithmetische oder logische Blöcke und
> Multiplexer. Also nichts, das VDHL nicht kann oder das man nicht als
> 74xx-IC bekommt.
Es ist auf dem FPGA sogar noch einfacher: nur LUTs und FFs. Aber die 
sollte man in die richtige Reihenfolge bringen...
> Also nichts, das VDHL nicht kann oder das man nicht als 74xx-IC bekommt.
Man könnte es sich sogar aus einzelnen Transistoren zusammenlöten...

Autor: Erik Lamhase (eriklamhase)
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Hallo alle zusammen,

nein, einen core i7 war nicht mein Projekziel :D
Ich meine wirklich eine kleinere CPU (kleiner Computer) also für die ALU 
Inkrement, Dekrement, Addition, Substraktion, Division, OR, AND, XOR, 
INV, NZVC-Flags dazu eine kleine FPU (Fix oder Float, darüber denke ich 
noch nach).
Dazu ein wenig RAM und für I/O erst einmal nur eine Handvoll Ports.
Und was zu diesen Sachen dazu gehört.
Also nichts x86 kompatiebles.
Ich denke das dürfte machbar sein (in einer annehmbaren Zeit) oder ist 
das ganze so viel komplexer als es aussieht. Ich meine noch viel 
niedriger als auf Gatter-Logik ebene wird es bei VDHL doch nicht sein 
oder (dabei muss ich doch nicht einzelne MOSFETs konfigurieren oder)?

mit freundlichen Grüßen
Erik

@Strubi danke für die Information zum Projekt
@Christian R. nun ein ganzes Linux muss es nicht sein.
@Murkser Danke für die Information.
@Christian Leber Danke für die Information zum Projekt.
@Yo! Danke für den Tipp. Ich werde mir mal VHDL angucken.
@Lothar Miller Ich habe mich für das VHDL-Synthese von Reichardt&Schwarz 
mal vormerken lassen. Danke für den Tipp.
@user Ich werde mir das Buch (Peter J. Ashenden: The Designer's
Guide to VHDL Second Edition) einmal genauer ansehen, danke für den 
Tipp.
@P. M. Danke, dass war wieder motivierend nach dem Post von Herrn Miller
@Yo! (2) Naja, wenn ich an der einen oder anderen Ecke keine Mühe hätte 
würde es sich ja nicht lohnen :)
@Wissender Denke schon, aber mein Interesse ist groß und durch die 
Vorlesung werde zumindest das ganze Semester über motiviert (immer 
wieder ein neuer Baustein für mein Projekt).
@P. M. (2) Ja, diese Sachen wollte ich nun wirklich nicht einbauen.
@Lothar Miller (2) das mit dem Zusammenlöten von Transistoren wollte ich 
ja vermeiden.

Autor: Valentin Buck (nitnelav) Benutzerseite
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Hat Jeri Ellsworth das nicht schon so gemacht?
Laut Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Jeri_Ellsworth
hat sie sogar einen Vortrag names "Demo Coding with FPGAs: We Don't Need 
No Stinking CPUs" gehalten...

mit freundlichen Grüßen,
Valentin Buck

Autor: D. I. (Gast)
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Also ich habe im Rahmen der Vorlesung "CPU-Design" im letzten Semester 
nen 32bitter mit Pipeline inkl. Hazardhandling und Caching in VHDL 
implementiert. Jedoch keine Branch Prediction, Interrupts oder sonstiges 
Gedöns

Autor: foobar (Gast)
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Lothar Miller schrieb:
> Jo klar, gut, dass wir darüber gesprochen haben...  :-o
> Zwischen "vorgekaut und halb verdaut angeliefert bekommen" und
> "selber verstanden und gemacht" ist dann nochmal ein Semester.

Nein, dazwischen liegt an vernünftigen Unis die 
Prüfungsvorbereitungszeit. Natürlich kann das danach nicht jeder, aber 
man bekommt auf jeden Fall genug Wissen angeliefert und genug 
Gelegenheiten, es zu verstehen.


Lothar Miller schrieb:
> Warum arbeitet bei der Firma dann noch ein 2. Entwickler, wenn einer
> sich das ein Semester lang anhört und dann im nächsten halben Jahr das
> Zeug selber macht?

Hier wurde behauptet, es sei überschaubar, den MIPS-Prozessor in VHDL zu 
implementieren. Es hat niemand behauptet, es sei überschaubar, aus dem 
nichts einen MIPS-Prozessor zu erfinden und zu einem marktfähigen 
Produkt zu bringen.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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foobar schrieb:
> Es hat niemand behauptet, es sei überschaubar, aus dem nichts einen
> MIPS-Prozessor zu erfinden und zu einem marktfähigen Produkt zu bringen.
Da wird sich gewunden wie ein aalglatter Anwalt...

Erik Lamhase schrieb:
> Ich meine wirklich eine kleinere CPU (kleiner Computer) also für die ALU
> Inkrement, Dekrement, Addition, Substraktion, Division, OR, AND, XOR,
> INV, NZVC-Flags
Das mit der Division ist dann schon sportlicher...

> dazu eine kleine FPU (Fix oder Float, darüber denke ich noch nach).
Ich meinte, eine FPU wäre immer Float...
http://en.wikipedia.org/wiki/Floating-point_unit

> Dazu ein wenig RAM und für I/O erst einmal nur eine Handvoll Ports.
> Und was zu diesen Sachen dazu gehört.
Ein paar Timer, die Interruptverwaltung, eine serielle Schnittstelle, 
ein VGA-Ausgang, ein Speichercontroller, ein Compiler und dazu die ganze 
Toolchain...

> Ich denke das dürfte machbar sein (in einer annehmbaren Zeit)
Was heißt bei dir annehmbar wenn es quantisiert wird?

> oder ist das ganze so viel komplexer als es aussieht. Noch viel
> niedriger als auf Gatter-Logik ebene wird es bei VDHL doch nicht sein
> oder (dabei muss ich doch nicht einzelne MOSFETs konfigurieren oder)?
Wenn ein FPGA deine Zielplattform ist, dann sind LUTs und FFs die 
unterste Ebene.

> @P. M. Danke, dass war wieder motivierend nach dem Post von Herrn Miller
Ich wollte dich keinesfalls demotivieren.
Ich wollte nur sagen: fang einfach mal an.
Oder besser: fang erst mal einfach an.
Wenn du bisher noch nichts mit VHDL gemacht hast, dann kauf dir ein 
EVAL-Board und leg mal los mit den beschriebenen Lauflichtern usw.

Zur Abrundung:
> Also nichts x86 kompatiebles.
Beitrag "8086 nachbauen"
Beitrag "Re: Multicoresystem auf FPGA"
Beitrag "µC Entwurf/Prozessor Entwurf mittels VHDL/Verilog und FPGAs?"

Und als Tip für Xilinx: das Stichwort "PicoBlaze"

Autor: andz (Gast)
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Bisschen andere Art von Prozessor (Vektorprozessor), aber auch ein 
komplettes System mit IO, VGA usw. Haben wir mal im Studium gebaut:

http://hicovec.informatik.fh-augsburg.de/trac

Autor: foobar (Gast)
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Lothar Miller schrieb:
> foobar schrieb:
>> Es hat niemand behauptet, es sei überschaubar, aus dem nichts einen
>> MIPS-Prozessor zu erfinden und zu einem marktfähigen Produkt zu bringen.
> Da wird sich gewunden wie ein aalglatter Anwalt...

Es wurde gesagt, dass die Übersetzung des stehenden Blockschaltbilds 
nach VHDL überschaubar sei. Dann hast du gefragt, warum dann noch ein 
zweiter Entwickler bei der Firma arbeite. Da ist es doch überhaupt nicht 
allglatt gewunden, wenn man darauf hinweist, was alles noch zu tun ist. 
Von der Entwicklung des Designs (der wohl umfangreiche Programmanalysen 
vorhergehen), über die Implementierung in VHDL, allerlei Verifikation 
und Tests, dann noch die von dir gebrachten Punkte:

Lothar Miller schrieb:
> Ein paar Timer, die Interruptverwaltung, eine serielle Schnittstelle,
> ein VGA-Ausgang, ein Speichercontroller, ein Compiler und dazu die ganze
> Toolchain...

usw.

Autor: Fpga Kuechle (fpgakuechle) Benutzerseite
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Erik Lamhase schrieb:

> Daher ist meine Frage: Kann ich bei FPGAs einzelne Logik-Gatter
> definieren und diese dann verschalten und habe ich damit die Möglichkeit
> einen zentrallen Datenbus zu realisieren (z.B. für die Ankoplung der
> Register an meine ALU). Ich lese immer etwas über VHDL, ich bin mir aber
> nicht sicher, ob  VHDL mir das liefert was ich benötige.

Ja klar, geht das. bei meinem selbstversuch hab ich mal den Picoblaze 
nachgehämmert: datenblatt runtergeladen und nach blockbild,OpCode 
beschreibung nachgebaut. natürlich etwas anders, nicht als zwei, sondern 
als Eintaktmaschine.

Ein paar Lehren habe ich daraus gezogen:
-Hat man das Blockbild, das Konzept und die opCode codierung ist es 
deutlicher einfacher.
-in für FPGA-Architecturen optimierte controller vwerwendet man so oft 
als möglich kleiner Dual-Port Ramfelder statt register.
-raffinierte Addressierungsarten wie beim MC68000 machen FPGA's langsam
-die meiste zeit verbringt man mit der Simulation von testprogrammen und 
beim Ärgern mit den verschiedenen Assembleren und den tools deren output 
als Binary in den FPGA zu bringen
-in VHDL geschriebener RTL-Code verbraucht mehr FPGA-ressourcen als der 
von Ken Chapmann handoptimierte Code (instanzierte FF,LUT's und 
Distributed RAM
-manchmal ist umständlich, besser als primitiv, so lassen sich viele 
Primitvbefehle durch arithmetische Befehle nachbilden und so Logik 
vermeiden: z.B. CLR Reg -> reg := SUB REG,REG oder MOV B,A -> B := ADD 
A,0

-Buchempfehlung: Christian Siemers: "Prozessorbau"

MfG,

Autor: foobar (Gast)
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Fpga Kuechle schrieb:
> Ja klar, geht das. bei meinem selbstversuch hab ich mal den Picoblaze
> nachgehämmert: datenblatt runtergeladen und nach blockbild,OpCode
> beschreibung nachgebaut.

Nun, was sagst du zur oben diskutierten Fragen, ob das ein 
überschaubarer Aufwand ist?

Autor: D. I. (Gast)
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Angehängte Dateien:

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Hier mal mein kleiner 32bitter aus dem letzten Semester. 
Aufgabenstellung und Opcodekodierung im PDF enthalten.
Implementierungsaufwand mit fortgeschrittenen VHDL-Skills und dem Wissen 
aus Rechnerarchitektur aus dem Vorsemester, knapp 2 Wochen. Die im 
Package enthaltenen Testprogramme berechnen die Fibonaccizahlen, mal 
iterativ mal rekursiv

Autor: Fpga Kuechle (fpgakuechle) Benutzerseite
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foobar schrieb:
> Fpga Kuechle schrieb:
>> Ja klar, geht das. bei meinem selbstversuch hab ich mal den Picoblaze
>> nachgehämmert: datenblatt runtergeladen und nach blockbild,OpCode
>> beschreibung nachgebaut.
>
> Nun, was sagst du zur oben diskutierten Fragen, ob das ein
> überschaubarer Aufwand ist?

Ja, hat zwei Wochen benötigt, wobei die meiste Zeit fürs Anpassen 
Toolchain und Adaption Evalboard benötigt wurde. Allerdings habe ich 
schon ein Jahrzehnt Berufs-Erfahrung.

MfG,

Autor: Thomas (Gast)
Datum:

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Autor: Xenu (Gast)
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Dennis Kuchel hat sich  vor zig Jahren einen Computer aus 
74er-Digital-ICs zusammengebaut.

Alte Seite hier: http://mycpu.selfhost.it/oldsite/index.htm
Neue hier: http://www.mycpu.eu/

Inzwischen gibt es davon auch eine VHDL-Implementierung.

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