以下内容摘自《步步惊芯——软核处理器内部设计分析》一书

1 IMMU结构

      OR1200中实现IMMU的文件有or1200_immu_top.v、or1200_immu_tlb.v、or1200_spram.v，其中使用or1200_immu_top.v实现了IMMU模块，使用or1200_immu_tlb.v实现了ITLB模块，or1200_spram.v是一个单口RAM，使用其实现了ITLB的表项。如图10.5所示。本小节将分别介绍IMMU模块与其余模块的连接关系、ITLB结构。

1.1 IMMU模块与其余模块的连接关系

      图10.6给出了IMMU与其他模块的连接关系，其中的大部分接口都很直观。IMMU与CPU之间的接口是指令Wishbone总线的一部分，IMMU与QMEM之间也是Wishbone总线的一部分，当没有配置IMMU时可以认为CPU与QMEM是直接相连的，这一点在第3章中已有说明。此外，IMMU还有与特殊寄存器访问有关的接口：spr_cs、spr_write、spr_addr、spr_dat_i、spr_dat_o，这说明在IMMU中存在特殊寄存器，并且该特殊寄存器可读（有spr_dat_o接口）、可写（有spr_dat_i接口）。

1.2 ITLB结构

      前文已述，OR1200中MMU的功能主要就体现在TLB的实现上，对IMMU而言就是ITLB，所以首先给出ITLB的结构，图10.4是一个通用的TLB变换原理图，每个处理器实现TLB的功能都会有具体的实现方式，此处讨论的是OR1200中的实现方式。

      OR1200中ITLB将图10.4中的项分两部分存放，标识存放在MR_RAM表中，数据存放在TR_RAM表中，如图10.7所示。从名称上也可以知道这里的表实际是采用RAM实现的，表的索引对应RAM地址，表项对应RAM内容。

      还是以默认配置中TLB有64项为例，同时按照OR1200中的习惯将虚拟地址称为有效地址。MR_RAM表每一项占14bit，其中高13bit是有效地址的19-31位，最低bit为V，代表该表项是否有效。TR_RAM表每一项占22bit，其中高19bit是物理地址的13-31位，低位的3bit分别是UXE（User Execute Enable）、SXE（Supervisor Execute Enable）、CI（Cache Inhibit），分别代表用户模式是否可执行、特权模式是否可执行、是否禁止缓存。IMMU使用UXE、SXE实现对存储器中指令页的保护。CI的作用是指示处理器要不要将该页放置在缓存中，如果CI为1，则该页代码不会出现在缓存中，每次访问都需要从存储器中读取，反之表示该页代码可以被缓存。

      ITLB的翻译过程是：利用有效地址中的13-18bit作为索引同时查询MR_RAM、TR_RAM两个表，利用MR_RAM表中得到的结果判断ITLB是否命中，ITLB命中的条件是MR_RAM表项中的“有效地址的19-31位”与CPU提供的有效地址中的19-31位相等，并且V为1，反之ITLB未命中，也称为ITLB失靶。当ITLB命中的时候，将从TR_RAM表索引得到的表项中的“物理地址的13-31位”与CPU提供的有效地址低13位结合作为物理地址。同时得到该页的属性SXE、UXE、CI。

      IMMU利用ITLB的翻译结果进行下一步操作，分三种情况：

•   ITLB命中，但SXE为0，而当前处理器处于特权模式，或者UXE为0，而当前处理器处于用户模式，均会违反页保护策略，引发指令页失效异常，处理器转移到指令页失效异常的处理例程，参考表1.3可知对应地址是0x400
•   ITLB命中，并且没有违反页保护策略，那么会取得对应物理地址处的指令
•   ITLB失靶，由于OR1200没有实现硬件的ITLB加载，所以只能通过软件实现ITLB加载，ITLB失靶引发ITLB失靶异常，处理器转移到ITLB失靶异常的处理例程，参考表1.3可知对应地址是0xA00，用户需编写失靶异常的处理例程，在其中将需要的页表项加载入ITLB