OR1200中指令Cache的结构

下面内容摘自《步步惊芯——软核处理器内部设计分析》一书

12.3 ICache结构

OR1200中实现ICache的文件有or1200_ic_top.v、or1200_ic_fsm.v、or1200_ic_tag.v、or1200_ic_ram.v、or1200_spram.v，分别实现了ICache模块、IC_FSM模块、IC_TAG模块、IC_RAM模块、单口RAM。在ICache中例化了IC_FSM、IC_TAG、IC_RAM模块。在IC_TAG、IC_RAM模块中例化了单口RAM。如图12.4所看到的。当中IC_TAG、IC_RAM能够称为数据部分，IC_FSM能够称为控制部分，在数据部分进行查找操作，将查找结果（ICache命中或失靶）送到控制部分，由控制部分根据查找结果进行下一步的操作，比方：当发生失靶时。控制部分会读入16个字节填充到ICache。

本节将介绍ICache中的数据部分、控制部分。

12.3.1ICache模块与其余模块的连接关系

在介绍ICache数据部分、控制部分之前。先给出ICache模块与其余模块之间的连接关系。有助于后面的分析。

在第3章介绍QMEM时已经给出了ICache与QMEM、WB_BIU之间的连接关系。从中可知ICache与两者都是Wishbone总线接口。

ICache的完整接口如图12.5所看到的。

说明下面几点：

（1）从图中可知ICache除了具有Wishbone总线接口外，还具有特殊寄存器訪问接口：spr_cs、spr_write、spr_dat_i。这说明ICache中有特殊寄存器。可是该特殊寄存器不能够读（没有spr_dat_o接口），仅仅能写（有spr_dat_i接口）。

（2）QMEM的输出中有接口icqmem_ci_o，该信号实际直接来自IMMU，回顾一下ITLB中每一个表项都有一个标志位CI。表示相应的页能否够被缓存，该值终于通过QMEM的icqmem_ci_o输出到ICache中。假设要读一个内存块的内容，可是icqmem_ci_o的值为1。那么该内存块是不可能在ICache中的，无需查找ICache。直接从内存中读取，反之，假设icqmem_ci_o的值为0，还要首先在ICache中进行查找。

（3）ICache与WB_BIU之间的接口名称都是icbiu_xxx_x的形式，ICache与QMEM之间的接口名称都是icqmem_xxx_x的形式，因此，能够通过名称知道这个接口的位置。

12.3.2 ICache中数据部分

ICache的数据部分包含IC_TAG、IC_RAM，其主体都是单口RAM。

两者共同组成了图12.2中的文件夹表。查找方法如图12.6所看到的。

此处採用的还是OR1200默认的ICache设置。

IC_TAG共同拥有512个表项，每一个表项包括标识、V，当中标识就是物理地址的高19位。IC_RAM中包括的是数据，对ICache而言。此处的数据就是指令。IC_RAM中4个表项（每一个表项是一个Word，含4个字节）与IC_TAG中一个表项组成ICache文件夹表中的一个line。比方：IC_TAG的第1个表项与IC_RAM中位于地址4-7的Word组成ICache文件夹表的line1。当要取指时时需查找IC_TAG，利用要读取指令地址4-12位的值作为索引查找IC_TAG，得到IC_TAG相应的表项，将该表项返回给ICache模块，后者据此推断Cache是否命中。在查找IC_TAG表的同一时候，利用物理地址2-12位的值作为索引读出IC_RAM中相应的字，假设ICache命中，那么从IC_RAM中读出的字就是须要的指令。

IC_TAG是通过单口RAM实现的，其主要代码例如以下：

or1200_ic_tag.v
module or1200_ic_tag(                             //IC_TAG
	clk, rst, addr, en, we, datain, tag_v, tag
);

//数据宽度dw为20，包含地址高19位、有效标志位V
parameter dw = `OR1200_ICTAG_W;            

//地址宽度为9
parameter aw = `OR1200_ICTAG;
……
   or1200_spram #                 //例化单口RAM
     (   .aw(`OR1200_ICTAG),  .dw(`OR1200_ICTAG_W)      )
   ic_tag0             //从单口RAM中读出的数据doq包含标识、有效位
     (   .clk(clk),    .ce(en),   .we(we),   .addr(addr),
         .di(datain),  .doq({tag, tag_v}) );   

endmodule

IC_RAM也是通过单口RAM实现的，其主要代码例如以下：

or1200_ic_ram.v
module or1200_ic_ram(                                 //IC_RAM
	clk, rst, addr, en, we, datain, dataout
);

parameter dw = `OR1200_OPERAND_WIDTH;                 //数据宽度为32bit
parameter aw = `OR1200_ICINDX;                        //地址宽度为11

……
   or1200_spram #                                     //例化单口RAM
     (  .aw(`OR1200_ICINDX), .dw(32)
      )
   ic_ram0
     (  .clk(clk),     .ce(en),   .we(we[0]),    .addr(addr),
        .di(datain),   .doq(dataout) );   

endmodule

12.3.3 ICache中控制部分

ICache的控制部分会根据IC_TAG、IC_RAM的查找结果控制ICache下一步的操作，ICache的控制部分主要在IC_FSM模块中实现。IC_FSM模块的主体是一个状态机，有三个状态：IDLE、CFETCH、LREFILL3。定义例如以下：

or1200_defines.v
`define OR1200_ICFSM_IDLE	2'd0
`define OR1200_ICFSM_CFETCH	2'd1
`define OR1200_ICFSM_LREFILL3	2'd2

//本状态尽管定义了，可是并没有使用，所以IC_FSM中状态机仅仅有3个状态
`define OR1200_ICFSM_IFETCH	2'd3

状态转换如图12.7所看到的。

处理器复位的时候处于IDLE状态，当要取指时会进入CFETCH状态。此时分三种情况：

• 假设ICache命中。那么将从IC_RAM中查找的指令返回给处理器。同一时候保持CFETCH状态
• 假设ICache失靶。那么会从内存中读取所需指令，然后进入LREFILL3状态。在该状态下会读出所需指令所在内存块中剩余的3个字，也就是将所需指令所在内存块的4个字都读入ICache，然后回到IDLE状态
• 假设所需指令所在内存块禁止缓存（即CI为1）。那么会从内存中读取所需指令。然后回到IDLE状态

上述三种情况也是ICache的三种使用情景，本章在后面会结合代码深入分析这三种情景下ICache的工作过程。包含IC_FSM中状态机的状态转换，届时读者朋友会有更加深刻的认识。

12.3.4 ICache数据部分与控制部分的对外接口

IC_FSM、IC_TAG、IC_RAM都在ICache中例化。例化语句例如以下：

or1200_ic_top.v
……
or1200_ic_fsm or1200_ic_fsm(                      //例化IC_FSM
	.clk(clk),	   .rst(rst),	.ic_en(ic_en),
	.icqmem_cycstb_i(icqmem_cycstb_i),
	.icqmem_ci_i(icqmem_ci_i),
	.tagcomp_miss(tagcomp_miss),
	.biudata_valid(icbiu_ack_i),
	.biudata_error(icbiu_err_i),
	.start_addr(icqmem_adr_i),
	.saved_addr(saved_addr),
	.icram_we(icram_we),
	.biu_read(icfsm_biu_read),
	.first_hit_ack(icfsm_first_hit_ack),
	.first_miss_ack(icfsm_first_miss_ack),
	.first_miss_err(icfsm_first_miss_err),
	.burst(icfsm_burst),
	.tag_we(icfsm_tag_we)
);

or1200_ic_ram or1200_ic_ram(                      //例化IC_RAM
	.clk(clk),	.rst(rst),
	.addr(ic_addr[`OR1200_ICINDXH:2]),
	.en(ic_en),
	.we(icram_we),
	.datain(to_icram),
	.dataout(from_icram)
);

or1200_ic_tag or1200_ic_tag(                      //例化IC_TAG
	.clk(clk),	.rst(rst),
	.addr(ictag_addr),
	.en(ictag_en),
	.we(ictag_we),
	.datain({ic_addr[31:`OR1200_ICTAGL], ictag_v}),
	.tag_v(tag_v),
	.tag(tag)
);
……

參考上述例化语句得到图12.8。当中给出了IC_FSM、IC_TAG、IC_RAM模块的接口。以及各个接口连接到ICache的相应变量，每一个模块的左边是输入接口，右边是输出接口，每一个模块内部是接口名，外部引脚上的名称代表ICache中的相应变量。

图12.8中，IC_TAG的输出tag_v、tag是查找结果，ICache根据此查找结果设置信号tagcomp_miss的值，该信号表示ICache是否命中，而且该信号输入到IC_FSM的同名接口，IC_FSM根据该值进行状态转换、输出控制信号。以进行下一步的操作。

本章后面分析ICache时须要常常參考该图。读者此刻也不必明确各个接口的含义，笔者留在使用到该接口的时候再做介绍。

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