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OR1200指令Cache使用举例
以下内容摘自《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，并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所示。
可见只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，但是从表12.1中发现ICBIR的索引是任意的，这是由于第4组中只实现了这一个特殊寄存器，所以只要特殊寄存器地址的高5位是0x4，那么一定是ICBIR，这样就没必要限定一个索引，此外，从图12.5可以发现ICache没有spr_addr接口，原因同样。ICBIR格式如表12.2所示。
如果向ICBIR中写入一个地址，设为Addr，那么将使得ICache目录表中第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，本章也是采用情景分析法，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的情景有如下几种：
（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）在流水线的执行阶段使用到了ICache，情景（2）、（3）、（4）在流水线的取指阶段使用到了ICache。本章在后续部分将给出一个示例程序，其中涉及到了ICache的全部使用情景，然后结合该示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
本节将给出一个示例程序，其中涉及到了ICache的全部使用情景，该程序运行在第11章建立的简单SOPC上，代码如下：
.section .text,"ax"
.global _start
.org 0x100
####################### 第1步 #########################
_start:
#初始化r0-r3，都清零，同时可以观察此时l.addi指令执行需要的时钟周期数
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寄存器的组内索引可以任意，只要地址
#的高5位是0x4即可，此处取0x2000
l.sfeqi r1,0x2000 #当r1等于0x2000时表示已经设置完毕IC_TAG中
#全部512个表项
l.bnf _IC_Init #如果r1不等于0x2000，表示还没有设置完毕，
#继续循环
l.addi r1,r1,0x10 #延迟槽指令，r1加0x10
l.movhi r1,0x0 #ICache初始化完毕后，将r1清零，因为后面还要
#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对应的SPR
#是ITLBW0MR0，所以此处就是设置ITLBW0MR0，对
#应MR表的第0项放置0x1，
#其中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对应的SPR
#就是ITLBW0TR0，所以此处就是设置ITLBW0TR0，对
#应TR表的第0项放置0x00C0，其中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，第一次运行下面的循环，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，这样执行第
#2条、第3条、第4条指令时就会ICache命中，同时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 #判断是否循环了16次
l.bnf _loop #如果循环了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对应的SPR
#就是ITLBW0TR0，所以此处就是设置ITLBW0TR0，对
#应TR表的第0项放置0x00C2，其中PPN为0x0，sxe为1，
#uxe为1，ci为1，表示0x0-0x1fff对应的内存页禁止
#缓存
l.j _loop #此时0x0-0x1fff对应的内存页禁止缓存，再次执行
#第5步中的循环，观察此时的执行效果
上述程序可以分为6步，每一步的主要工作如下：
第1步：初始化寄存器r0-r3，都清零。
第2步：初始化ICache，因为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，所以需要初始化ICache，初始化的方法就是依次设置IC_TAG中每个表项的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中每个表项的V为0，参考之前对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，示例程序代码很短，从地址0x100开始，不会超过0x1fff，所以在示例程序运行的时候，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：这是一个只有4条指令的循环体，并且通过计算可知循环体中4条指令地址分别是0x140、0x144、0x148、0x14C，所以这4条指令位于同一个内存块。第一次执行循环体，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（因为位于同一个内存块）到ICache，此时ICache中数据部分如图12.9所示。这样在执行循环体中第2、3、4条指令时就会ICache命中，并且在接下来的循环中都会ICache命中，从而循环体中每条指令执行只需要一个时钟周期，循环一共执行16次，然后退出。
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步中的循环体执行。观察此时循环体的执行，预期效果应该是虽然此时所需指令在ICache中，但是由于设置了禁止缓存，所以还是会从RAM中取指，与没有ICache时一样，指令执行需要多个时钟周期。
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会重新从0x1加到0x10，但是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，应该是第一次执行循环体，此时CI为0，当r2为其余值时，表示不是第一次执行循环体，此时应该已经设置CI为1，在观察ModelSim仿真波形的时候可以根据r2的值判断此时是第几次执行循环体，同时可以知道此时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所在目录，其中的Makefile选择在10章中修改过后的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目录，输入“make all”得到可以在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等信号对应的指令，下面列出指令与其对应的二进制，分为三列，分别是指令地址、指令、指令对应的二进制。
############################## 第1步 #####################
指令地址 指令 指令对应的二进制
_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 指令对应的二进制
_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 指令对应的二进制
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 指令对应的二进制
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 指令对应的二进制
_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 指令对应的二进制
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所示。从仿真结果可知ICache的效果是符合预期的。本书光盘的Chapter12目录下包括ModelSim仿真工程，Chapter12/Code目录下包括示例程序源代码。
本章接下来将借助该程序详细分析ICache在各种使用情景下的工作过程。
