羅 闖，林 楠

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032)

1 前言

目前，嵌入式技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越成熟，嵌入式產(chǎn)品也越來(lái)越受到廣大年輕人的青睞。兼容型微處理器設(shè)計(jì)在高等教育領(lǐng)域也越來(lái)越受歡迎。

2 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)兼容型微處理器的好處是可以借鑒ARM、MIPS、Nios II、PowerPC、SPARC、LEON、OR1000、OpenSparcT1/T2等幾大系列嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其中前五類(lèi)是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，各種資源比較豐富，學(xué)習(xí)一下是可以的，但是不能用于商業(yè)目的，而后三類(lèi)是開(kāi)源的，獲取GPL后則可以自由使用;因此設(shè)計(jì)思路是從目前主流微處理器的發(fā)展過(guò)程中汲取經(jīng)驗(yàn)。

3 設(shè)計(jì)過(guò)程概述

嵌入式32位RISC CPU兼容性設(shè)計(jì)需從硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)考慮。

3.1 硬件方面

硬件方面主要包括以下幾個(gè)方面:

3.1.1 指令集分析

指令是微處理器的靈魂，也是構(gòu)成指令集的最小單位，可以保證與目標(biāo)微處理器百分之百的二進(jìn)制兼容。

指令集主要包括:

·指令種類(lèi):通常包括運(yùn)算類(lèi)，分支類(lèi)、數(shù)據(jù)傳送類(lèi)及其他等。運(yùn)算類(lèi)主要用于算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、乘法、除法等操作。分支類(lèi)主要用于實(shí)現(xiàn)程序的跳轉(zhuǎn)，靈活控制程序的執(zhí)行過(guò)程，滿足條件控制的需要。數(shù)據(jù)傳送類(lèi)主要用來(lái)與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其他是一些雜項(xiàng)指令。

·指令編碼格式:指令包括操作碼和操作數(shù)兩部分。操作碼實(shí)現(xiàn)指令的具體操作。操作數(shù)包括立即數(shù)、內(nèi)部寄存器、地址等。指令編碼格式確定操作碼和操作數(shù)在指令編碼表中的位置。

·指令助記符:如 MOV、ADD、SUB、MUL、DIV等，縮寫(xiě)簡(jiǎn)明易懂，便于程序員記憶和直接使用指令進(jìn)行匯編語(yǔ)言編寫(xiě)目標(biāo)程序。

·指令尋址方式:主要有立即尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、寄存器變址尋址、相對(duì)尋址等。

·指令周期:如指令單周期、指令多周期、指令數(shù)據(jù)相關(guān)周期等，必須與目標(biāo)微處理器一致。

通過(guò)分析，將所有指令的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行細(xì)化、歸類(lèi)和簡(jiǎn)化，為指令譯碼器、控制單元、ALU等功能模塊的設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù)，尤其是譯碼器輸出信號(hào)的種類(lèi)和數(shù)量，因?yàn)樽g碼器是一大塊組合邏輯，而其占據(jù)流水線的一個(gè)階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)直接影響系統(tǒng)性能。表1是以邏輯運(yùn)算指令和算術(shù)運(yùn)算指令為例給出的各階段指令分解動(dòng)作簡(jiǎn)表。

表1 各階段指令分解動(dòng)作簡(jiǎn)表

3.1.2 體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

體系架構(gòu)是微處理器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，用來(lái)保證與不同指令集版本的兼容性。體系架構(gòu)中的關(guān)鍵是流水線技術(shù)，也是RISC微處理器的一大特點(diǎn)。隨著性能要求的提高，流水線的深度也越來(lái)越深，即級(jí)數(shù)越來(lái)越多，同時(shí)帶來(lái)的流水線問(wèn)題也更加復(fù)雜。

目前，常用的流水線深度有3級(jí)、5級(jí)、6級(jí)、8級(jí)、十幾級(jí)，有的甚至達(dá)到幾十級(jí)。下面以5級(jí)流水線為例，分為取指、譯碼、執(zhí)行、存儲(chǔ)器和回寫(xiě)。取指級(jí)主要完成指令的預(yù)取，即程序計(jì)數(shù)器PC的生成。譯碼級(jí)主要完成指令譯碼、操作數(shù)的讀取和選擇。執(zhí)行級(jí)主要完成操作數(shù)的移位、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、乘法運(yùn)算、除法運(yùn)算、訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址的產(chǎn)生。存儲(chǔ)器級(jí)主要完成數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)或是簡(jiǎn)單緩沖一個(gè)周期以保證流水線的完整性，也可以直接將執(zhí)行結(jié)果寄存到回寫(xiě)級(jí)，以縮短指令的周期。回寫(xiě)級(jí)主要完成運(yùn)算結(jié)果的寫(xiě)回操作。此外還有一個(gè)更重要的部件是系統(tǒng)控制單元，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的流水線控制信號(hào)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)微處理器的有序工作。一般情況下流水線組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。完成流水線所對(duì)應(yīng)的功能需要相應(yīng)的功能模塊。圖2中只是根據(jù)流水線的組織情況，將對(duì)應(yīng)的功能模塊放在流水線中，相當(dāng)于完成了系統(tǒng)的頂層模塊劃分，還沒(méi)有進(jìn)行數(shù)據(jù)通路和控制通路的規(guī)劃。數(shù)據(jù)通路的規(guī)劃是在內(nèi)部各個(gè)主要的功能模塊之間建立起相互之間的聯(lián)系:同級(jí)的模塊可能是串行或是并行，需要根據(jù)指令的功能而定;不同級(jí)之間的模塊需要通過(guò)流水線寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)通路的規(guī)劃是根據(jù)當(dāng)前流水線中指令的執(zhí)行情況、指令功能和指令周期，由系統(tǒng)控制單元給出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。系統(tǒng)控制單元是微處理器的核心，主要由一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)構(gòu)成，包括系統(tǒng)復(fù)位、正常運(yùn)行、系統(tǒng)調(diào)試和中斷/異常四個(gè)狀態(tài)，如圖3所示。

3.1.3 總線接口設(shè)計(jì)

目前，在SoC設(shè)計(jì)中使用的片上總線主要有ARM的32位總線AMBA 2.0(AHB、APB)和64位總線 AXI 1.0/2.0，MIPS 的OCP 2.1，Nios II的Avalon-Bus(包括 Avalon-MM、Avalon-TRI、Avalon-MM、Avalon-MM)、PowePC 的 CoreConnect(PLB、OPB、DCR)以及Silicore的Wishbone總線。六種總線都是同步總線，使用時(shí)鐘沿驅(qū)動(dòng)和采樣信號(hào)?？偩€的基本操作幾乎沒(méi)有區(qū)別，最大的區(qū)別在于提供的特性和規(guī)范的完整性。下面以AMBA AHB為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。圖4為最基本的AHB總線時(shí)序:一個(gè)周期為輸出地址周期，輸出需要訪問(wèn)的地址和對(duì)應(yīng)的控制信號(hào);接下來(lái)一個(gè)周期為數(shù)據(jù)周期，輸出或是讀入上一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)。如果外設(shè)速度較慢，可以在數(shù)據(jù)周期插入等待信號(hào)，即將 HREADY置為“低”，從而可以使得總線接口部件的控制邏輯處于等待狀態(tài)，以保證得到正確的數(shù)據(jù)。因?yàn)锳HB是一個(gè)比較完整的總線協(xié)議，可以適應(yīng)很多種情況，所以還需要增加更加復(fù)雜的邏輯，同時(shí)再根據(jù)微處理器的具體需要進(jìn)行適當(dāng)裁剪，這樣既可以保證與AHB協(xié)議的兼容性，還可以降低硬件的總體成本。

3.2 軟件方面

軟件方面主要是通過(guò)對(duì)應(yīng)軟件開(kāi)發(fā)工具來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，從而提高程序的設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量和規(guī)模。每種微處理器都有對(duì)應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)工具。一般情況下，微處理器廠商會(huì)開(kāi)發(fā)自己的專(zhuān)用工具，如ARM的ADS和RealView;也有第三方為某個(gè)微處理器廠商設(shè)計(jì)的兼容性開(kāi)發(fā)工具，如Keil為ARM開(kāi)發(fā)的μVision;還可以使用免費(fèi)的GNU工具鏈，不過(guò)可能需要花一些時(shí)間和精力來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境設(shè)置。

圖4 基本AHB總線時(shí)序

軟件開(kāi)發(fā)工具是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE，可以進(jìn)行匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言、C++等程序的編譯、鏈接、軟件調(diào)試、在線調(diào)試等。對(duì)于嵌入式32位微處理器來(lái)說(shuō)，軟件開(kāi)發(fā)工具的在線調(diào)試功能是非常重要的。因此，必須清楚調(diào)試工具的工作原理。目前使用的調(diào)試方式主要有兩種:一種是JTAG調(diào)試，如ARM、MIPS、NiosII、PowerPC等;另一種是串口調(diào)試，如LEON2/3/4、SparcV7/8/9等。下面以JTAG調(diào)試為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。軟件開(kāi)發(fā)工具在PC端運(yùn)行，通過(guò)并口/USB接口與硬件仿真器相連。硬件仿真器通過(guò)內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)與PC并口協(xié)議/USB協(xié)議到串行JTAG協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并與微處理器的調(diào)試部件相連實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試功能。圖5為使用JTAG接口調(diào)試的框圖。

圖5 使用JTAG接口調(diào)試的框圖

JTAG 接口主要包括 TCK、TMS、TDI、TDO 和TRST五個(gè)信號(hào)，使用簡(jiǎn)單，連接方便，是目前采用最多的一種調(diào)試方式。JTAG調(diào)試部件的核心是Test access port(TAP)控制器狀態(tài)機(jī)，共有16個(gè)狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖6所示。

圖6 JTAG TAP控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

工作原理是先運(yùn)行JTAG指令，才能進(jìn)行對(duì)應(yīng)掃描鏈的操作，即在TCK和TMS的共同作用下，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。如果是進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，需要先進(jìn)入到Select-DR-Scan狀態(tài)，再進(jìn)入到Capture-DR、Shift-DR、Exit1-DR 和 Update-DR 狀態(tài)，最后回到 Run-Test/Idle或是 Select-DRScan狀態(tài)，即在中間的*-DR狀態(tài)來(lái)完成對(duì)所有掃描鏈的讀寫(xiě)操作。如果使用JTAG指令，則需要進(jìn)入右邊*-IR狀態(tài)來(lái)完成對(duì)應(yīng)的指令動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上只是簡(jiǎn)要概述了嵌入式32位RISC CPU兼容性設(shè)計(jì)的主要方面，若要設(shè)計(jì)一個(gè)完全與之兼容的微處理器，還需要進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)工作。

［1］ ［英］Steve Furber，著.ARM SoC體系結(jié)構(gòu)［M］.田澤，于敦山，盛世敏，譯.北京:航空航天大學(xué)出版社，2002.

［2］ 朱子玉，李亞民.CPU芯片邏輯設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］ 孫天澤，袁文菊.嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)指南-基于ARM9處理器(第2版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［4］ IEEE.Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture［M］2001.