Moduł dydaktyczny z układem FPGA emulującym mikroprocesor

Tematem artykułu jest studium użycia układu FPGA do emulacji działania mikroprocesora w zastosowaniach dydaktycznych. Zaprezentowano proces powstawania rozwiązania od etapu analizy wymagań, przez architekturę do opisu implementacji, ze wskazaniem istotnych uwarunkowań użytkowych i technologicznych oraz kluczowych decyzji. Wynikiem przedstawionych prac jest moduł użyty po raz pierwszy w zajęciach laboratoryjnych w bieżącym semestrze.

The paper presents a case study of using the FPGA chip for emulating a microprocessor system for didactic purposes. Inside the FPGA chip there are implemented an open source Z80 processor core together with code and data memory blocks connected to the proces-sor bus as well as UART peripheral. The emulated processor bus behaviour is compliant with the original Z80 bus. Therefore, a student is able to connect external devices to the bus (by means of the appropriate connectors, three-state buffers and address decoding circuits). The UART peripheral, which is connected to the external USB/UART converter, is used by the NoICE commercial monitoring application. By means of this application, a student is able, among others, to load own program to the Z80 system, execute the code stepwise or in the free run mode, observe and modify content of the memory connected to the Z80 processor bus. Z80 processor core is shared between the NoICE monitor program and the user's code. The presented hardware platform allows for implementation of other 8-bit microprocessors as well. This way students may learn the modern System On Chip concept (SOC). Moreover, the module can be also used to teach the issues of logic circuit implementation inside the FPGA. The result of presented work is a versatile laboratory module, used since 2010 in the microprocessor systems laboratory at the Warsaw University of Technology.