分析SignalTap的仿真结果

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本文先讲必备的基础知识，然后再重点关注如何看基于中断CPU的波形仿真。

一、中断与异常

1、什么是中断：

不可预知的干扰程序正常执行流程的事件。异常来源于CPU内部，如：除0错误；而中断来自于CPU外部，如键盘输入中断。

如上图所示，当异常或者中断出现的时候，CPU停止工作而去执行预先准备好的程序称为响应（响应通常驻留在操作系统的内核）。

2、怎么处理中断：

（1）查询中断：

说白了就是先把一张功能和“地图”一样的表存到一个固定的地方，当中断或者异常发生了，查查表就知道该到哪里执行中断处理程序了。或者也可以灵活一点儿应对：把地址写到一个寄存器内，因为寄存器的内容是可以修改的，所以CPU可以通过修改该寄存器的内容来修改程序的入口地址。中断发生时，还需要有额外的信息指导CPU来正确跳转，一般把这个信息写到一个特殊的寄存器CAUSE内部：硬件把发生源产生的相关信息写入到这个特殊的寄存器，CPU一读这个寄存器的内容就明白该怎么做了。

（2）向量中断：异常或者中断自带信息（称之为向量），向量信息一般较短，所以硬件还要把向量的左边和右边填充好适当的数据合成一个地址，这个地址合成好了以后就直接打入PC内部，这样就可以直接跳到相应的入口去处理异常和中断了。

3、一些细节：

（1）中断返回：返回到转去处理中断子程序之前保存好的被中断的程序的地址。一般是借助堆栈。

（2）中断屏蔽（关中断）：不理正在处理中断的时候所产生的中断。决定是关中断还是开中断的工作交给寄存器STATUS去控制；

（3）中断嵌套（开中断）：理中断的时候所产生的中断，如下图：

（4）中断优先级：决定优先响应哪个中断

二、带中断与异常处理的CPU设计

1、设计前提与假定：

（1）只有一个外部中断请求；

（2）只处理3种异常和中断：溢出（异常）、指令异常、系统调用；

（3）返回地址：发生异常时保存当前指令的地址，中断发生时保存下一条指令的地址；

（4）使用查询中断处理方式；

（5）响应时status寄存器左移4位关中断；

（6）响应结束时status寄存器右移4位恢复原来的内容。

2、需要实现的功能：

（1）返回地址能正确保存到EPC寄存器当中；

（2）把产生异常或者中断的原因记录到CAUSE寄存器当中；

（3）把status寄存器的中断屏蔽位左移4位（关中断）；

（4）把地址写入PC。

3、CAUSE、STAUTS、EPC寄存器结构

4、如何判断产生了溢出？

代码实现：

5、mfc0、mtc0、syscall、eret指令：

对于mfc0(mfc0 rt ,rd)、mtc0(mtc0 rt,rd)两条指令，rt是通用寄存器的编号，rd是寄存器CAUSE、STAUTS、EPC的号码，4条指令的结构如下：

6、如何在单周期CPU代码的基础之上设计带异常和中断的CPU

（1）新增3个寄存器及其读写所需要的电路（主要是多路选择器）、包括向中断处理子程序的跳转和返回。这些所有的控制信号要有CU发出，所以也必然要对CU的代码进行修改。

（2）当然，还要实现相对应的对新加的寄存器（EPC、CAUSE、status）的读写功能（通过分析寄存器的位结构）

三、验证设计（仿真图分析）

1、测试汇编代码及其注释：

    assign  　rom['h00] = 32'h0800001d;    //    (00)     reset:   j start
    assign  　rom['h01] = 32'h00000000;    //    (04)      nop
    assign  　rom['h02] = 32'h401a6800;    //    (08)   EXC_BASE:   mfc0 r26, C0_CAUSE
    assign    rom['h03] = 32'h335b000c;    //    (0c)      andi r27, r26, 0xc
    assign    rom['h04] = 32'h8f7b0020;    //    (10)      lw     r27, j_table(r27)
    assign    rom['h05] = 32'h00000000;    //    (14)        nop
    assign    rom['h06] = 32'h03600008;    //    (18)        jr     r27
    assign    rom['h07] = 32'h00000000;    //    (lc)        nop
    assign    rom['h0C] = 32'h00000000;    //    (30)        nop
    assign    rom['h0D] = 32'h42000018;    //    (34)        eret
    assign    rom['h0E] = 32'h00000000;    //    (38)        nop
    assign    rom['h0F] = 32'h00000000;    //    (3c)    sys_entry:    nop
    assign    rom['h10] = 32'h401a7000;    //    (40)    epc_plus4:    mfc0 r26, C0_EPC
    assign    rom['h11] = 32'h235a0004;    //    (44)        addi r26, r26, 4
    assign    rom['h12] = 32'h409a7000;    //    (48)       mtc0 r26, C0_EPC
    assign    rom['h13] = 32'h42000018;    //    (4c)        eret
    assign    rom['h14] = 32'h00000000;    //    (50)        nop
    assign    rom['h15] = 32'h00000000;    //    (54)    uni_entry:    nop
    assign    rom['h16] = 32'h08000010;    //    (58)        j     epc_plus4
    assign    rom['h17] = 32'h00000000;    //    (5c)       nop
    assign    rom['h1A] = 32'h00000000;    //    (68)    ovf_entry:    nop
    assign    rom['h1B] = 32'h08000010;    //    (6c)        j epc_plus4
    assign    rom['h1C] = 32'h00000000;    //    (70)        nop
    assign    rom['h1D] = 32'h2008000f;    //    (74)    start:    addi r8,r0,oxf
    assign    rom['h1E] = 32'h40886000;    //    (78)        mtc0 r8,c0_status
    assign    rom['h1F] = 32'h8c080048;    //    (7c)        lw r8,0x48(r0)
    assign    rom['h20] = 32'h8c09004c;    //    (80)    ov:    lw r9,0x4c(r0)
    assign    rom['h21] = 32'h01094020;    //    (84)        add r9,r9,r8
    assign    rom['h22] = 32'h00000000;    //    (88)        nop
    assign    rom['h23] = 32'h0000000c;    //    (8c)        syscall
    assign    rom['h24] = 32'h00000000;    //    (90)        nop
    assign    rom['h25] = 32'h0128001a;    //    (94)        div r9,r8
    assign    rom['h26] = 32'h00000000;    //    (98)        nop
    assign    rom['h27] = 32'h34040050;    //    (9c)        ori r4,r1,0x50
    assign    rom['h28] = 32'h20050004;    //    (a0)        addi r5,r0,4
    assign    rom['h29] = 32'h00004020;    //    (a4)        add r8,r0,r0
    assign    rom['h2a] = 32'h8c890000;    //    (a8)        lw r9,0(r4)
    assign    rom['h2b] = 32'h20840004;    //    (ac)        addi r4,r4,4
    assign    rom['h2c] = 32'h01094020;    //    (b0)        add r8,r8,r9
    assign    rom['h2d] = 32'h20a5ffff;    //    (b4)        addi r5,r5,-1
    assign    rom['h2e] = 32'h14a0fffb;    //    (b8)        bne r5,r0,loop
    assign    rom['h2f] = 32'h00000000;    //    (bc)        nop
    assign    rom['h30] = 32'h08000030;    //    (c0)    finish:    j finish    

2、仿真结果：

注释：

（00）跳转到（74），程序从（74）一直执行到（84）时通过加法产生溢出（即：00->74->78->7c->80->84）；立即跳转到（08），即中断处理程序入口，CPU读取cause寄存器，然后通过查询跳转表的表项：

ram[5'h0b] = 32'h00000068;//(2c) ovf_entry

获得地址（68），CPU转去执行位于（68）的中断处理程序。

所以是：08->0c->10->14->18->68

接着按照我们设计好的溢出处理程序（EPC+4），执行完中断处理程序之后返回所以是：68->6c

然后回到系统调用指令的入口，执行完EPC+4后返回，所以是：40->44->48->4c

返回的地址存储在EPC寄存器当中，该寄存器的内容第一次在异常产生时写入EPC，然后在中断处理子程序内部+4，指向原来保存的现场的下一条指令的地址，即84+4=88，之后继续往下执行，所以有：88->8c

执行到（8c）时执行完了系统调用程序，那么就跳转到（08），系统调用入口并做相应的准备工作，这整个过程也就是也就是08->0c->10->14->18

简单的描述一下这个过程执行的代码就是：将立即数0xc与26号寄存器的值相加放到27号寄存器，然后通过27号寄存器的值查表项：ram[5'h09] = 32'h0000003c;//(24)  sys_entry

找到了系统调用的入口地址，所以接下来的整个过程就是：先是从18->3c，然后顺序向下执行即有3c->40->44-:>48->4c

执行完系统调用后然后返回原来的地址，也就是调用系统调用的地址的后一条指令的地址，即8c+4=90，所以继续向下走就是：90->94

然后又碰到了（94）的除数异常，继续和之前分析的一样去处理异常，也就是08->0c->10->14->18

只不过是处理程序不同，所以有18->54->58

然后照例回到系统调用指令的入口，执行完EPC+4后返回，所以和之前处理溢出时一样是：40->44->48->4c

返回原来执行的现场，接下来就是98->9c

此时就遇到了外部中断，但是没有与硬件绑定，那么程序就自己走loop循环，因为在（a0）处设置了程序循环计数器的值counter=4，所以循环4次，也就是走了四趟的：a8->ac->b0->b4->b8

然后就继续往下走：bc->c0

(c0)处finish，程序执行结束了。

总之，分析仿真图的要义是：保持耐心、注意护眼。

tz@COI HZAU

2018/7/14