OR1200指令Cache使用举例

下面内容摘自《步步惊芯——软核处理器内部设计分析》一书

12.4 ICache中的特殊寄存器

通过ICache的接口可知其具有特殊寄存器，而且是不可读的特殊寄存器，OR1200处理器中ICache实现的特殊寄存器如表12.1所看到的。

watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvbGVpc2hhbmd3ZW4=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast" alt="">

可见仅仅实现了一个特殊寄存器——ICBIR（InstructionCache Block Invalidate Register），即指令缓存块无效寄存器，且是不可读寄存器。一般而言，特殊寄存器的地址是16位，高5位存放的是组号，低11位存放的是特殊寄存器在组中的索引。可是从表12.1中发现ICBIR的索引是随意的，这是因为第4组中仅仅实现了这一个特殊寄存器。所以仅仅要特殊寄存器地址的高5位是0x4，那么一定是ICBIR。这样就不是必需限定一个索引，此外，从图12.5能够发现ICache没有spr_addr接口，原因相同。

ICBIR格式如表12.2所看到的。

watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvbGVpc2hhbmd3ZW4=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast" alt="">

假设向ICBIR中写入一个地址，设为Addr。那么将使得ICache文件夹表中第Addr[12:4]个line的V为0，表示该line无效，实际实现就是将IC_TAG中第Addr[12:4]项的V设置为0。

12.5 ICache使用情景

同第10章分析MMU的方法一样。本章也是採用情景分析法。通过对使用ICache的各种情景的分析以实现对ICache模块剖析。

使用ICache的情景有例如以下几种：

（1）l.mtspr指令写ICBIR

（2）指令取指阶段ICache失靶

（3）指令取指阶段ICache命中

（4）指令取指阶段。目的指令所在的内存页禁止缓存

上述四种情景中。情景（1）在流水线的运行阶段使用到了ICache，情景（2）、（3）、（4）在流水线的取指阶段使用到了ICache。

本章在兴许部分将给出一个演示样例程序，当中涉及到了ICache的所有使用情景。然后结合该演示样例程序分析在上述几种情景下ICache的工作过程，从而理解ICache的代码与原理。

12.6 分析用例

本节将给出一个演示样例程序。当中涉及到了ICache的所有使用情景。该程序执行在第11章建立的简单SOPC上。代码例如以下：

       .section .text,"ax"

       .global _start

       .org 0x100

#######################           第1步            #########################

_start:

      #初始化r0-r3，都清零。同一时候能够观察此时l.addi指令运行须要的时钟周期数

      l.movhi r0,0x0

      l.addi r1,r0,0x0

      l.addi r2,r0,0x0

      l.addi r3,r0,0x0

#######################           第2步            #########################

_IC_Init:

      # ICache初始化，将IC_TAG中512个表项的V都设置为0，表示无效，设置方法就

      # 是向ICBIR寄存器中依次写入0x0、0x10、0x20……0x2000

      l.mtspr r0,r1,0x2000          #ICBIR寄存器的组内索引能够随意。仅仅要地址

                                    #的高5位是0x4就可以，此处取0x2000

      l.sfeqi r1,0x2000             #当r1等于0x2000时表示已经设置完成IC_TAG中

                                    #所有512个表项

      l.bnf _IC_Init                #假设r1不等于0x2000，表示还没有设置完成，

                                    #继续循环

      l.addi r1,r1,0x10             #延迟槽指令，r1加0x10

      l.movhi r1,0x0                #ICache初始化完成后。将r1清零，由于后面还要

                                    #使用r1

#######################           第3步            ########################

      l.ori r3,r0,0x1             #r3等于0x1

      l.mtspr r0,r3,0x1200        #向地址0x1200的SPR写入0x1，0x1200相应的SPR

                                  #是ITLBW0MR0，所以此处就是设置ITLBW0MR0，对

                                  #应MR表的第0项放置0x1，

                                  #当中VPN为0。Valid为1

      l.ori r3,r0,0x00C0          #r3等于0x00C0

      l.mtspr r0,r3,0x1280        #向地址0x1280的SPR写入0x00C0，0x1280相应的SPR

                                  #就是ITLBW0TR0，所以此处就是设置ITLBW0TR0，对

                                  #应TR表的第0项放置0x00C0。当中PPN为0x0。

                                  #sxe为1，uxe为1，ci为0

      #上述设置使得有效地址0x0-0x1fff被翻译为物理地址0x0-0x1fff，两者相等

########################           第4步            ########################

      l.ori r3,r0,0x8051          #r3等于0x8051

      l.mtspr r0,r3,0x11          #设置SR寄存器为0x8051，即SR[IME]、SR[ICE]都为1。

                                  #使能IMMU、ICache

      l.nop

########################           第5步            ########################

_loop:

      #此时ICache已经使能，第一次运行以下的循环。读取第1条指令时会发生ICache

      #失靶，于是读入第一条指令所在的内存块。共16个字节。含4条指令。这样运行第

      #2条、第3条、第4条指令时就会ICache命中，同一时候在后面的循环中都会ICache

      #命中

      l.addi r1,r1,0x1            #每次循环r1加1

      l.sfeqi r1,0x10             #推断是否循环了16次

      l.bnf _loop                 #假设循环了16次，则退出循环

      l.addi r2,r2,0x1            #r2记录总循环次数

#########################           第6步            #########################

      l.addi r1,r0,0x0            #r1清零

      l.ori r3,r0,0x00C2

      l.mtspr r0,r3,0x1280        #向地址0x1280的SPR写入0x00C2。0x1280相应的SPR

                                  #就是ITLBW0TR0，所以此处就是设置ITLBW0TR0，对

                                  #应TR表的第0项放置0x00C2，当中PPN为0x0，sxe为1。

                                  #uxe为1，ci为1，表示0x0-0x1fff相应的内存页禁止

                                  #缓存

      l.j _loop                   #此时0x0-0x1fff相应的内存页禁止缓存，再次运行

                                  #第5步中的循环，观察此时的运行效果

上述程序能够分为6步。每一步的主要工作例如以下：

第1步：初始化寄存器r0-r3，都清零。

第2步：初始化ICache。由于ICache中IC_TAG的实现主体就是单口RAM。在系统启动的时候。RAM中的内容是不确定的。所以须要初始化ICache，初始化的方法就是依次设置IC_TAG中每一个表项的V为0。表示该表项无效。指令l.mtspr向特殊寄存器ICBIR中依次写入0x0、0x10、0x20……0x2000。就会依次设置IC_TAG中每一个表项的V为0，參考之前对ICBIR的介绍。

第3步：设置ITLB的第一个表项，使得有效地址0x0-0x1fff被翻译为0x0-0x1fff，实际就是有效地址等于物理地址，演示样例程序代码非常短，从地址0x100開始，不会超过0x1fff，所以在演示样例程序执行的时候，IMMU地址翻译的结果就是物理地址与有效地址相等。IMMU所发挥的作用在第6步中会有所体现。

第4步：设置SR寄存器。使能IMMU、ICache。

第5步：这是一个仅仅有4条指令的循环体，而且通过计算可知循环体中4条指令地址各自是0x140、0x144、0x148、0x14C，所以这4条指令位于同一个内存块。

第一次运行循环体。读取循环体中第1条指令时。会发生ICache失靶异常，于是会读入这四条指令（由于位于同一个内存块）到ICache。此时ICache中数据部分如图12.9所看到的。这样在运行循环体中第2、3、4条指令时就会ICache命中。而且在接下来的循环中都会ICache命中。从而循环体中每条指令运行仅仅须要一个时钟周期，循环一共运行16次，然后退出。

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第6步：再次设置ITLB的第一个表项，使得该页的属性标志位CI为1，即禁止缓存，然后再转移到第5步中的循环体运行。观察此时循环体的运行，预期效果应该是尽管此时所需指令在ICache中。可是因为设置了禁止缓存，所以还是会从RAM中取指，与没有ICache时一样，指令运行须要多个时钟周期。

在第6步转移到第5步的循环体之前会将r1清零，所以循环体中r1会又一次从0x1加到0x10。可是r2会接着之前的值递增，也就是r2记录的是总的循环次数。

这样当r2等于0x0-0x10时，应该是第一次运行循环体，此时CI为0，当r2为其余值时。表示不是第一次运行循环体，此时应该已经设置CI为1，在观察ModelSim仿真波形的时候能够依据r2的值推断此时是第几次运行循环体，同一时候能够知道此时CI是否为1。

在Ubuntu中新建文件Example.S，内容就是上述代码。拷贝ram.ld、Makefile、Bin2Mem.exe到Example.S所在文件夹，当中的Makefile选择在10章中改动过后的Makefile，也就是不会使用OR1KSim进行模拟。此时再打开终端。调整路径到上述文件所在文件夹。输入“make all”得到能够在ModelSim仿真中使用的存储器初始化文件mem.data。

简单SOPC就使用该文件初始化RAM。为了便于知道仿真波形中if_insn、id_insn、ex_insn等信号相应的指令，以下列出指令与其相应的二进制，分为三列，各自是指令地址、指令、指令相应的二进制。

##############################           第1步            #####################

       指令地址             指令                      指令相应的二进制

_start:

        0x100              l.movhi r0,0x0                0x18000000

        0x104              l.addi r1,r0,0x0              0x9c200000

        0x108              l.addi r2,r0,0x0              0x9c400000

        0x10C              l.addi r3,r0,0x0              0x9c600000

##############################           第2步            #####################

       指令地址             指令                      指令相应的二进制

_IC_Init:

        0x110              l.mtspr r0,r1,0x2000          0xc0800800

        0x114              l.sfeqi r1,0x2000             0xbc012000

        0x118              l.bnf _IC_Init                0x0ffffffe

        0x11C              l.addi r1,r1,0x10             0x9c210010

        0x120              l.movhi r1,0x0                0x18200000

##############################           第3步            #####################

       指令地址             指令                      指令相应的二进制

        0x124              l.ori r3,r0,0x1               0xa8600001

        0x128              l.mtspr r0,r3,0x1200          0xc0401a00

        0x12C              l.ori r3,r0,0x00C0            0xa86000c0

        0x130              l.mtspr r0,r3,0x1280          0xc0401a80

##############################           第4步            #####################

       指令地址             指令                      指令相应的二进制

        0x134              l.ori r3,r0,0x8051            0xa8608051

        0x138              l.mtspr r0,r3,0x11            0xc0001811

        0x13C              l.nop                         0x15000000

##############################           第5步            #####################

       指令地址             指令                      指令相应的二进制

_loop:

        0x140              l.addi r1,r1,0x1              0x9c210001

        0x144              l.sfeqi r1,0x10               0xbc010010

        0x148              l.bnf _loop                   0x0ffffffe

        0x14C              l.addi r2,r2,0x1              0x9c420001

##############################           第6步            #####################

       指令地址             指令                      指令相应的二进制

        0x150              l.addi r1,r0,0x0              0x9c200000

        0x154              l.ori r3,r0,0x00C2            0xa86000c2

        0x158              l.mtspr r0,r3,0x1280          0xc0401a80

        0x15C              l.j _loop                     0x03fffff9

ModelSim仿真波形如图12.10-12.14所看到的。从仿真结果可知ICache的效果是符合预期的。本书光盘的Chapter12文件夹下包含ModelSim仿真project。Chapter12/Code文件夹下包含演示样例程序源码。

本章接下来将借助该程序具体分析ICache在各种使用情景下的工作过程。

watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvbGVpc2hhbmd3ZW4=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast" alt="">