《手把手教你设计cpu_RISC-V处理器》11章笔记_riscv 蜂鸟 cache

• 冯诺依曼结构（普林斯顿结构）

• 指令和数据合并

  • 

• 哈佛结构

  • 指令和数据分开存储
  • 

• 两种结构的界限变得模糊

  • 从软件的角度来，系统往往只有一套地址空间，因此这符合冯·诺依曼体系结构的准则。
  • 从硬件实现的角，现代处理器配备指令和数据存储器，因此符合哈佛结构。
  • 冯·诺依曼结构和哈佛结构并不是一种非此即彼的选择。

11.1.3 ITCM 和 DTCM

• ITCM 和 DTCM比cache更适合嵌入式低功耗处理器。
  • 能够保证实时性
  • 能够满足软件需求
  • 面积功耗小

11.2 risc-v 对于访存指令的简化

1.仅支持小端格式
2.无地址自增自减模式
3.一次只读/写一个数据

11.2.1 仅支持小端格式

• 可以简化硬件的实现，无须做特别的数据转换

11.2.2 无地址自增自减模式

• 简化生成逻辑

11.2.3 一次只读/写一个数据

• 硬件设计十分简单

11.3 risc-v访存指令

11.3.1 Load和Store指令

• 除了load和store指令，其他指令都无法访存
• 7条访存指令

LH,LHU,LB,LBU,LW,SB,SH,SW

• 推荐使用地址对齐的操作

11.3.2 Fence指令

• 松散存储器模型，对执行顺序不做要求

• Fence和Fence.I两条存储器屏障指令

  • Fence

  “在Fence指令之前指令的访存结果”必须比“在Fence指令之后指令的访存结果”先被观测到。
  
  

  • Fence.I

  “在Fence.I指令之后指令的操作”必须能观测到“在Fence.I指令之前指令的操作”。
  
  

11.3.3 A扩展指令

• 用于支持多线程情况下访存的原子或同步操作
  • AMO指令
  • Load-Reserved和Store-Conditional指令

11.4 蜂鸟E200存储系统的硬件实现

11.4.1 总体设计思路

主要包含四个组件

• AGU

生成读和写指令的访存地址

• LSU

控制模块

• ITCM

指令存储部件

• DTCM

数据存储部件

11.4.2 AGU

主要用于产生读/写指令等的访存地址

• 将第一个寄存器索引的源操作数和立即数相加，复用了ALU单元

  • e203_exu_alu.v 源代码（github）
  • e203_exu_alu_dpath.v 源代码（github）
  • e203_exu_alu_lsuagu.v 源代码（github）

• RISC-V 架构对于地址非对齐的读和写指令，可以使用硬件支持， 也可以使用软件通过异常服务程序的方式采用软件支持。

11.4.3 LSU

蜂鸟E200处理器核存储器子系统的主要控制单元

• 代码实现和BIU相似
  • e203_lsu.v 源代码（github）
  • e203_lsu_ctrl.v 源代码（github）
• LSU 有2组输入 ICB 总线接口，分别来自于 AGU 单元和 EAl 协处理器；有3组输出 ICB 总线接口，分别分发给 BIU，DTCM，ITCM 。
• “ICB汇合”
• "ICB分发”
• 最终的返回数据经过操作尺寸对齐之后，经过 LSU 的写回接口写回。

11.4 4 ITCM和DTCM

蜂鸟E200配备了专用的 ITCM（数据宽度为 64 位）和 DTCM（数据宽度为 32 位）。

• 哈佛结构和冯诺依曼结构的严格界限已经变得模糊

  • 蜂鸟E200处理器有专用的总线分别访问 ITCM和DTCM---------哈佛结构
  • ITCM所在的地址区间同样能够通过 LSU 被读和写指令访问到用，于存储数据-------冯诺依曼结构

  

• ITCM 的存储器主体由一块数据宽度为 64 位的单口 SRAM 组成。

  • 通过 config.v 中的宏定义参数配置（github）

• ITCM 用数据宽度为 64 位能够取得更低的功耗消耗。

1.比32位的SRAM面积更加紧凑
2.64位宽的ITCM可以1次取出64位的指令流

• ITCM 的相关源代码

  • ICTM模块主体控制 源代码（github）

• 3组输入 ICB 总线“ICB 汇合”，采用的仲裁机制是优先级仲裁

  • LSU 的访问接口
  • IFU专用的 ICB 接口
  • 外部直接访问接口

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• DTCM 的微架构

• DTCM 的存储器主体由一块数据宽度为32位的单口SRAM组成
  • 通过 config.v 中的宏定义参数配置（github）
  • DCTM 模块主体控制 源代码（github）
• DTCM 有两组输入 ICB 总线接口，经过一个“ICB 汇合”
  • LSU接口
  • 外部直接访问接口

11.4.5 “A”扩展指令处理

“A”扩展子集对于蜂鸟 E200 这样的极低功耗处理而言未必是必须要支持的部分

默认支持“A”扩展子集。

• “A”扩展指令分为两类

  • Load-Reserved和Store-Conditional 指令的硬件实现

  在LSU单元中设置了互斥检测器
  当有Load-Reserved执行时，设置互斥检测器的有效标志
  当有Store-Conditional执行时，如果写指令访问存储器的地址和互斥检测器中存储的地址一样，则将互斥检测器的有效标志清除掉
  
  

    - [**e203\_lsu\_ctrl.v 源代码（github）**](https://bbs.youkuaiyun.com/forums/4304bb5a486d4c3ab8389e65ecb71ac0)
  

  • AMO指令的硬件实现

    • 在AGU单元中使用了状态机将 AMO 指令拆分为若干个不同的微操作

    1.先拆分出一个存储器读操作 
    2.算术运算
    3.写入存储器
    
    

    • e203_exu_alu_lsuagu.v 源代码（github）

• 蜂鸟E200只能够在单核独自访问存储器时，才能保证程序执行的“A”扩展指令结果正确。（局限性）

11.4.6 Fence与Fence.I指令

• 派遣Fence和Fence.I指令之前必须等待所有己经滞外的指令执行完毕
• e203_exu_disp.v 源代码（github）

11.4.7 BIU

• 蜂鸟 E200 处理器核还能通过 BIU 访问外部的存储器