OpenRisc-37-OpenRISC的CPU&core的整体架构分析

引言

前面我们分析了ORPSoC的整体架构，并对其子系统进行了深入的分析和了解。但对于ORPSoC的核心模块or1200_top及其内部的core--or1200_cpu模块却鲜有涉及，算是ORPSoC分析的盲区，也是蒙在我心里的一片乌云。

本小结就对这两个模块的整体架构进行分析，扫除这块所谓的‘盲区’和‘乌云’。

1，a general picture

按照惯例，还是先对这两个模块有一个感性认识。下面就是or1200_top和or1200_cpu的模块连接图。

CPU模块：or1200_top

core模块：or1200_cpu

2，CPU整体架构

1>模块接口

下面就是CPU的实际模块接口图，从中我们可以清晰的看到一个CPU的外部接口。

2>模块整体架构图

上面我们了解了CPU的模块接口，但是其接口比较多，我们需要对这些接口进行分类，画出其接口简图，如下：

从中我们可以看出CPU与外部进行数据交换和控制的接口，以及其模块组成。

经过分析对应的RTL代码，我们可以知道：默认配置下，具有一个一路直接映射的8KB数据cache和一个一路直接映射的8KB指令cache，Cache line长度为16-byte，两个cache都是物理索引（physically tagged）。默认配置下支持MMU，其由一个64-entry hash，1-way direct-mapped的数据TLB和指令TLB组成。此外，用调式单元可实现实时调试，tick timer，PIC，和电源管理。

3>深入分析

1》数据流图

上面介绍的只是CPU的概要情况，为了便于理解，我们需要弄清楚CPU的数据流向，掌握了数据在CPU内部的流动情况，我们就会有更清晰的认识，毕竟CPU还是数据驱动的东西。经过阅读or1200_top模块相关RTL的code，我画了or1200_top模块的逻辑上的数据流图，如下：

2》分析

仔细分析上图。整个流向就是箭头的方向（自下而上）。下面我就以load/stor指令的执行过程来说明：

假如core要执行load指令，就以bootrom.S中的最后一条指令为例：l.lbz r3,r4,0x2

a，指令含义

我先说一下这条指令的含义。通过查手册，可知，这条指令的format是：

l.lbz rD,I(rA)

其含义是：

EA ← exts(Immediate) + rA[31:0]
rD[7:0] ← (EA)[7:0]
rD[31:8] ← 0

总体含义是将内存的一个字节的数据load到通用寄存器中，其具体操作过程是，将立即数0x02先进行0扩展，再与r4里面的值相加得到有效地址EA（注：这个地址就是虚拟内存地址，注意这个地址是虚拟地址，不是物理地址），然后将内存地址为EA[7:0]处的数据load到寄存器r3的低8位中，高位补0。

b，执行过程

core取得这条指令后，计算出虚拟地址，经dmmu模块，得到物理地址，根据物理地址从qmem（相当于一级cache）读取数据，如果出现miss，就是cache miss异常，异常处理会从内存中读取数据放到stor buff（相当于三级cache）和data cache（相当于二级cache），异常处理完成后，再重新执行这条指令，就能读到数据。

当然，如果dmmu中没有对应的物理地址，就是TLB miss，产生一个TLB miss异常，core jump到异常入口处取指，这个过程我之前介绍过，具体过程，这里就不展开阐述。

c，stor

stor指令与load指令执行过程类似。

3，core整体架构

上面我们分析了CPU的架构，并介绍了其数据流向，下面我说一下core的整体架构。

OpenRISC 1200 是OpenRISC 1000 处理器家族的一个实现版本。

OR1200是 32-bit 标量 RISC架构，Harvard 结构, 5级 integer流水线, 支持MMU，还具有DSP能力。

关于architecture是john von neumann，还是harvard，还是modify harvard，还是princeton ，我觉得争论这个的意义不大，其实在一个现实的core的实现中，没有一个明显的界线，一切以提高性能，降低功耗，减小面积等等这些更实际的指标为基准。所以还是那句话“不管是黑猫，白猫，只要能抓住老鼠，就是好猫”。

1>模块接口

下面是core的接口，从中我们可以了解其具体的接口的名称，从名称中我们可以大概了解其与外部的数据及控制交换通路。

2>整体架构

说到core的架构，首先必须要把官方的架构图放到这里，如下：

3>分析

1》架构图

上面的图我就不说什么了，可以阅读相关的文档了解其大概情况。上面的图太粗糙了，为了介绍core的工作机制，我们需要更深入的分析，这就需要阅读其对应的RTL代码。

经分析，or1200_cpu这个核心中的核心的结构图，如下：

2》分析

上图是一个标准的computer architecture结构图。上面一部分是控制通路，下面一部分是数据通路。

一目了然。

4，小结

终于扫除了最后的盲区！

本小节分析了CPU和core的架构，自此，我们对整个ORPSoC的project有了一个初步的，完整的了解，对整个系统（APP+linux/eCos+FPGA+SoC+IPcore+CPU+core）都一一作了分析，不仅如此，我们还写了属于自己的IPCORE和其driver并作了验证，此外我们还测试验证了vga等ORPSoC之外的开源ipcore。

现在再返回头来看ORPSoC的整体模块连接图，我想，就没有‘乱七八糟’的感觉了吧，代替的应该是是‘一览众山小’吧。

“千里之行始于足下”，路还很远，move on.

5，参考文献

1，arch-manual-1.0

2，ORPSoC RTL code