2.3 ARC EM處理器結(jié)構(gòu)

ARC EM的設(shè)計(jì)采取了在保證面積小的前提下最大可能地提高性能的結(jié)構(gòu)，其處理器結(jié)構(gòu)非常精簡(jiǎn)，使得ARC EM的內(nèi)核非常小，器件的功耗也隨之降低。

本節(jié)主要介紹ARC EM微處理器的接口信號(hào)、內(nèi)核結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、存儲(chǔ)保護(hù)機(jī)制以及調(diào)試。

2.3.1 接口信號(hào)

ARC EM處理器的接口信號(hào)主要有：時(shí)鐘與復(fù)位信號(hào)、總線接口、中斷接口、測(cè)試和調(diào)試接口、Halt&Run控制接口、代碼保護(hù)Code Protect以及Actionpoint接口信號(hào)。

下面主要介紹總線接口、中斷接口和測(cè)試/調(diào)試接口，其他接口以及相關(guān)接口的具體信號(hào)描述可參考文獻(xiàn)9。

1.總線接口

ARC EM系列微處理器使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的總線接口，具體如圖2-3所示。

圖2-3表明了ARC EM的總線接口信號(hào)，主要包括DMP存儲(chǔ)器接口單元、IFQ/Instr Cache指令總線接口單元、DATACache數(shù)據(jù)總線接口單元以及APEX擴(kuò)展總線接口單元、ICCM和DCCM直接存儲(chǔ)器接口（Direct Memory Interface，DMI）。對(duì)于這些接口信號(hào)，ARC EM提供了基于AHB/AHB-Lite和BVCI總線接口信號(hào)。

對(duì)于主端接口，具體可配置的類(lèi)型如下。

1）AHB總線接口：ARC EM處理器支持配置兩個(gè)AHB主端接口，一個(gè)用于處理指令訪存，另一個(gè)用于處理數(shù)據(jù)訪存（Load/Store）。

2）AHB_Lite single接口：處理器可配置成單一的AHB_Lite主端接口，用于處理指令和數(shù)據(jù)訪存操作。

3）AHB_Lite dual接口：處理器可配置成兩個(gè)獨(dú)立的AHB_Lite主端接口，一個(gè)用于處理指令訪存，一個(gè)用于處理數(shù)據(jù)訪存。

4）BVCI接口：處理器可配置成兩個(gè)獨(dú)立的BVCI主端接口，一個(gè)用于處理指令訪存，一個(gè)用于處理數(shù)據(jù)訪存。

對(duì)于從端接口，即ICCM和DCCM的DMI接口，支持可配置成AHB_Lite或者BVCI總線類(lèi)型。

2.中斷接口

ARC EM處理器內(nèi)核可以配置多達(dá)240個(gè)外部中斷。外部中斷的引腳名稱(chēng)反映了每個(gè)中斷的向量號(hào)，范圍從16到255。當(dāng)配置了內(nèi)部計(jì)時(shí)器后，中斷16和17會(huì)保留為內(nèi)部計(jì)時(shí)器。在這種情況下，對(duì)應(yīng)的中斷信號(hào)不顯示為外部中斷輸入。

3.測(cè)試和調(diào)試接口

ARC EM提供的測(cè)試接口符合IEEE 1149.1-2001 JTAG規(guī)范。此接口也可以使用2線JTAG IEEE 1149.7系統(tǒng)測(cè)試邏輯（STL）規(guī)范。4線JTAG接口可以通過(guò)使用IEEE 1149.7分接控制器轉(zhuǎn)換成雙線JTAG。4線JTAG接口信號(hào)如表2-2所示。除了可以通過(guò)JTAG串行接口進(jìn)行調(diào)試，還支持通過(guò)BVCI調(diào)試接口進(jìn)行高速調(diào)試。

2.3.2 內(nèi)核結(jié)構(gòu)

ARC EM采用三級(jí)流水線，可以有效地減少每個(gè)指令花費(fèi)的平均周期數(shù)。從結(jié)構(gòu)圖2-4可以看出，EM的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)依次為：取指級(jí)FA、執(zhí)行級(jí)XA、完成級(jí)CA。其每一級(jí)的功能描述如下。

1.FA：Fetch，Decode 1取指

Fetch（FA）階段的作用是獲取并對(duì)齊最多32位的指令，并送往執(zhí)行(XA)級(jí)。指令的來(lái)源主要有以下幾種：

（1）ICCM

包含單周期訪問(wèn)的ICCM0和雙周期訪問(wèn)的ICCM1。

（2）IFQ/ICACHE

兩者都可從外存獲取指令。IFQ是一個(gè)取指隊(duì)列，可以配置隊(duì)列深度和總線突發(fā)訪問(wèn)長(zhǎng)度。

（3）Debug unit

用來(lái)注入debugger指令，支持debugger訪問(wèn)處理器資源。

（4）Micro-Code Sequencer（Code Density option）

用來(lái)發(fā)射需要由多條微指令完成的復(fù)雜指令和操作。

此外，F(xiàn)A級(jí)還負(fù)責(zé)執(zhí)行分支并選取下一個(gè)時(shí)鐘的取指P C地址。為了支持可變長(zhǎng)度指令執(zhí)行，F(xiàn)A級(jí)需要預(yù)解碼出當(dāng)前取出的指令長(zhǎng)度，并緩沖最多1 6位的當(dāng)前取出的數(shù)據(jù)。如果寄存器文件是由后端工具M(jìn)emory Compiler生成的宏單元，F(xiàn)A還需要解碼出寄存器的讀地址編號(hào)。

2.XA：Decode 2，Execute譯碼和執(zhí)行

這一部分的主要功能如下：

㊣ 執(zhí)行指令解碼操作的其余部分。

㊣ 讀取寄存器組并獲取操作數(shù)。

㊣ 對(duì)可用功能單元發(fā)射指令。

㊣ 計(jì)算每條指令的結(jié)果。

這一級(jí)用以確定指令是否可以派遣到功能單元并開(kāi)始執(zhí)行。需要等待功能單元的可用性（結(jié)構(gòu)冒險(xiǎn)）和所需的數(shù)據(jù)是否可用（數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)RAW，WAW）。如果當(dāng)前指令存在冒險(xiǎn)，指令將會(huì)被延遲并在下個(gè)時(shí)鐘繼續(xù)調(diào)度。

一旦分支指令的結(jié)果已知，則分支單元可以決定是否重新啟動(dòng)該流水線。

“延遲槽”用以在指令轉(zhuǎn)移到目標(biāo)分支的位置之前，指示成功執(zhí)行分支或跳轉(zhuǎn)指令。

3.CA：Memory，Writeback存儲(chǔ)器訪問(wèn)和回寫(xiě)寄存器

1）用來(lái)更新機(jī)器狀態(tài)。

2）用來(lái)捕獲從所有流水線返回的數(shù)據(jù)并將其寫(xiě)入寄存器文件。

3）用以訪問(wèn)輔助地址空間狀態(tài)并處理異常事件（異常和中斷）。

4）訪問(wèn)CCM、Dcache和外部數(shù)據(jù)/外設(shè)總線。

ARC EM處理器還采用了動(dòng)態(tài)流水線發(fā)射技術(shù)。主流水線與其他流水線可同時(shí)運(yùn)行不同的指令，處理器能動(dòng)態(tài)管理流水線資源。

如圖2-5所示為ARC EM的不同流水線結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，處理器中除主流水線（Core pipeline）以外還存在訪存流水線（DMP）、可配置的變長(zhǎng)乘法流水線、APEX流水線以及除法流水線等。

如果一條指令經(jīng)過(guò)CA級(jí)，則稱(chēng)為指令完成。完成的指令必將立即或者在后續(xù)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)更新處理器狀態(tài)。如果指令完成但仍需要繼續(xù)執(zhí)行，則只將PC等必要的處理器狀態(tài)更新，其他處理器狀態(tài)暫時(shí)不更新。指令在相應(yīng)的流水線繼續(xù)運(yùn)行，直到執(zhí)行結(jié)果回寫(xiě)寄存器文件和標(biāo)志寄存器等處理器狀態(tài)，稱(chēng)之為指令結(jié)束。如果已經(jīng)完成但未結(jié)束的指令與當(dāng)前XA待發(fā)射的指令存在讀或?qū)懙葦?shù)據(jù)相關(guān)性，指令調(diào)度就會(huì)暫停。

動(dòng)態(tài)指令執(zhí)行在一定程度上允許亂序，并能確保流水線進(jìn)程的正確運(yùn)行，從而提升了處理器性能。

2.3.3 存儲(chǔ)系統(tǒng)

存儲(chǔ)系統(tǒng)由多種存儲(chǔ)器組件組合而成，其中每個(gè)組件均可根據(jù)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器映射的需求進(jìn)行配置。ARC EM處理器的存儲(chǔ)器空間被分為16個(gè)相等的部分，如圖2-6所示。存儲(chǔ)器地址的高4位用來(lái)編碼（區(qū)分）每個(gè)區(qū)域。存儲(chǔ)器區(qū)域主要用于映射不同類(lèi)型的存儲(chǔ)器。

ARC EM處理器包含以下可用存儲(chǔ)組件：

CCMs緊耦合存儲(chǔ)器、ICCM 指令緊耦合存儲(chǔ)器（ICCM0、ICCM1）、DCCM數(shù)據(jù)緊耦合存儲(chǔ)器

IFQ指令預(yù)取緩沖

DMI數(shù)據(jù)存儲(chǔ)啟動(dòng)器

外設(shè)數(shù)據(jù)總線

Cache高速緩存：指令緩存（IC）、數(shù)據(jù)緩存DC

如圖2-7所示為對(duì)存儲(chǔ)組件的取址訪問(wèn)。通過(guò)BVCI/AHB總線訪問(wèn)IFQ、IC和ICCM內(nèi)部的指令。

如圖2-8所示為對(duì)存儲(chǔ)組件內(nèi)部的數(shù)據(jù)操作。通過(guò)BVCI/AHB/AHB-lite總線對(duì)DC和DCCM內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫(xiě)操作。

下面詳細(xì)介紹CCM緊耦合存儲(chǔ)器、IFQ指令預(yù)取緩沖以及DMI數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等主要存儲(chǔ)組件。

1.CCM緊耦合存儲(chǔ)器

ARC EM處理器支持兩種類(lèi)型的CCM：指令緊耦合存儲(chǔ)器（ICCM0，ICCM1）及數(shù)據(jù)緊耦合存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)通路DCCM）。ICCM和DCCM是根據(jù)應(yīng)用可選擇進(jìn)行配置的，CCM可以與其他的存儲(chǔ)器組件（如取指隊(duì)列和DMI）共存。

EM處理器和其他功能模塊均可直接訪問(wèn)CCM模塊。作為處理器內(nèi)核私有的局部存儲(chǔ)器,處理器對(duì)CCM訪問(wèn)不產(chǎn)生任何總線通信，其訪問(wèn)時(shí)間是確定的，可大大提高性能并保證實(shí)時(shí)性；并且，對(duì)CCM進(jìn)行操作，比操作外部總線上的存儲(chǔ)器或高速緩存的功耗低。CCM可用于鎖定對(duì)性能較關(guān)鍵的代碼或數(shù)據(jù)。這非常合適于關(guān)鍵的系統(tǒng)級(jí)程序（如中斷處理和其他對(duì)時(shí)間敏感的任務(wù)）。

與高速緩存不同，ICCM和DCCM需要啟動(dòng)代碼，以編程方式進(jìn)行初始化。每種類(lèi)型CCM都分配有與之對(duì)應(yīng)的4位基地址輔助寄存器，CCM映射的存儲(chǔ)器空間區(qū)域由基地址輔助寄存器指定。其中ICCM只能被分配在0～7區(qū)域，DCCM只能被分配在8～15區(qū)域。一個(gè)CCM將占據(jù)整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域空間，在32位地址的情況下，區(qū)域大小為256MB。當(dāng)CCM的容量小于區(qū)域大小時(shí)，CCM的內(nèi)容將重復(fù)并填充整個(gè)256MB區(qū)域。

ARC EM處理器允許系統(tǒng)中的其他主端設(shè)備通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)接口（BVCI或AHB-Lite）訪問(wèn)其CCMs，如圖2-9所示。

ICCM和DCCM都支持。

所有CCM提供單個(gè)端目標(biāo)總線接口，處理外部訪問(wèn)具有最高優(yōu)先級(jí)。

接下來(lái)具體介紹ICCMs和DCCM。

（1）ICCM特性

ARC EM處理器有ICCM0和ICCM1，如圖2-10所示。ICCM具有以下特點(diǎn)：

1）ICCM可以用于指令訪問(wèn)以及加載/存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）ICCM0的工作頻率與處理器內(nèi)核頻率一致，在發(fā)出請(qǐng)求的下個(gè)時(shí)鐘周期返回?cái)?shù)據(jù)。

3）ICCM1的工作頻率為處理器內(nèi)核時(shí)鐘的二分頻，在發(fā)出請(qǐng)求的兩個(gè)時(shí)鐘周期之后返回?cái)?shù)據(jù)。ICCM1可以利用雙組（Bank）存儲(chǔ)器來(lái)彌補(bǔ)緩慢的訪問(wèn)時(shí)間。

4）ICCM1可以與IFQ指令預(yù)取緩沖配合使用。此時(shí)，從ICCM1中讀取的指令將緩存到IFQ中。

5）ICCM支持通過(guò)指令LD/ST訪問(wèn)。

ICCM允許自修改代碼，但是過(guò)多使用這種方式將導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。

（2）DCCM特性

ARC EM處理器可通過(guò)加載/存儲(chǔ)訪問(wèn)DCCM存儲(chǔ)器。DCCM的工作頻率與處理器內(nèi)核頻率一致，在一個(gè)時(shí)鐘發(fā)出請(qǐng)求之后可返回?cái)?shù)據(jù)。DCCM可以單獨(dú)使用，也可與一個(gè)數(shù)據(jù)緩存或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主端接口同時(shí)使用。

2.IFQ指令預(yù)取緩沖

IFQ是一個(gè)可選組件，可通過(guò)外部總線的突發(fā)模式預(yù)取即將執(zhí)行的指令。IFQ可作為一個(gè)低成本的替代指令緩存。IFQ支持的配置選項(xiàng)包括隊(duì)列大小選項(xiàng)（1、2、4、8或16個(gè)32位）和突發(fā)長(zhǎng)度大?。?、2、4或8個(gè)32位）。突發(fā)長(zhǎng)度大小不能超過(guò)隊(duì)列大小。IFQ的結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。

3.DMI數(shù)據(jù)存儲(chǔ)啟動(dòng)器

DMI（Data Memory Initiator）主端接口是一個(gè)可選組件，在沒(méi)有數(shù)據(jù)高速緩存的配置下，可以容許處理非突發(fā)式外部總線請(qǐng)求。

4.外設(shè)數(shù)據(jù)總線

外設(shè)數(shù)據(jù)總線是一個(gè)可選組件，允許處理器內(nèi)核使用專(zhuān)用的總線連接外設(shè)。運(yùn)行期間可通過(guò)AUX_DMP_PER輔助寄存器更改映射的地址范圍。

5.Cache高速緩存

ARC EM處理器支持可選擇配置數(shù)據(jù)和指令高速緩存。

ARC EM處理器的存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令提供數(shù)據(jù)Cache使能和直通（direct）操作：存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令后綴為.di（ld.di和st.di）將在進(jìn)行相應(yīng)的Load/Store操作時(shí)旁通數(shù)據(jù)Cache。另外，ARC EM處理器的數(shù)據(jù)Cache，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)緩存訪問(wèn)寄存器DC_DATA、數(shù)據(jù)緩存控制寄存器DC_CTRL等，還能提供高級(jí)調(diào)試功能，允許程序員對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)Cache RAM里的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行查看和修改。

具體設(shè)置操作見(jiàn)參考文獻(xiàn)9的第5章。

2.3.4 存儲(chǔ)保護(hù)機(jī)制

ARC EM處理器的存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）為各個(gè)存儲(chǔ)器組件提供了保護(hù)。通過(guò)指定基地址和大小，將地址空間劃分成關(guān)聯(lián)特定屬性的區(qū)域（例如讀、寫(xiě)和執(zhí)行），如果試圖訪問(wèn)某區(qū)域，但是其關(guān)聯(lián)的屬性并不允許該訪問(wèn)，則ARC EM處理器將產(chǎn)生保護(hù)沖突異常，并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的異常處理程序。注意，MPU區(qū)域和16個(gè)存儲(chǔ)器映射區(qū)域有本質(zhì)的區(qū)別。MPU區(qū)域可通過(guò)編程對(duì)每個(gè)區(qū)域的基地址和大小動(dòng)態(tài)調(diào)整，數(shù)量也可以配置，而儲(chǔ)存器映射區(qū)域?yàn)楣潭ǖ?6個(gè)等分。

ARC EM系列處理器為用戶(hù)模式和內(nèi)核模式提供獨(dú)立的讀、寫(xiě)和執(zhí)行權(quán)限。存儲(chǔ)器保護(hù)使得操作系統(tǒng)能夠保護(hù)其代碼不受非法或意外訪問(wèn)進(jìn)程的數(shù)據(jù)的影響。用戶(hù)還可以定義默認(rèn)內(nèi)核和用戶(hù)訪問(wèn)權(quán)限之外的所有存儲(chǔ)器區(qū)域的權(quán)限。多個(gè)MPU區(qū)域允許重疊并且根據(jù)區(qū)域編號(hào)，優(yōu)先采用編號(hào)較小的區(qū)域中的屬性。

ARC EM處理器的存儲(chǔ)器保護(hù)單元關(guān)鍵特性如下：

支持對(duì)特定存儲(chǔ)器區(qū)域代碼屬性編程，如允許或禁止執(zhí)行該區(qū)域代碼。

支持對(duì)特定存儲(chǔ)器區(qū)域數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)屬性編程。

單獨(dú)的內(nèi)核和用戶(hù)模式的讀、寫(xiě)和執(zhí)行權(quán)限。

可配置1、2、4、8或16個(gè)存儲(chǔ)器區(qū)域。

各區(qū)域可以單獨(dú)或獨(dú)立編程。

能夠設(shè)置默認(rèn)權(quán)限，它適用于在所有編程保護(hù)以外區(qū)域訪問(wèn)。

例如，連續(xù)區(qū)域如圖2-12所示。

在這個(gè)例子中，存儲(chǔ)空間具有以下特點(diǎn)：

1）存儲(chǔ)器的0到2GB部分區(qū)域是用戶(hù)可執(zhí)行區(qū)域。

2）接下來(lái)的2GB到3GB區(qū)域是用戶(hù)的讀、寫(xiě)操作區(qū)。

3）3GB到4GB部分為用戶(hù)的外設(shè)讀、寫(xiě)操作區(qū)。

2.3.5 調(diào)試

ARC EM處理器擁有豐富的調(diào)試接口以方便用戶(hù)開(kāi)發(fā)調(diào)試，包括：JTAG、Actionpoints、SmaRT。主機(jī)處理器可以通過(guò)使用特殊的調(diào)試功能來(lái)控制EM處理器。調(diào)試功能確保主機(jī)執(zhí)行以下操作：

通過(guò)狀態(tài)和調(diào)試寄存器啟動(dòng)和停止處理器。

通過(guò)控制寄存器單步調(diào)試處理器。

查看和修改寄存器文件和存儲(chǔ)器中的值。

通過(guò)讀取追蹤堆棧中的數(shù)據(jù)，分析代碼執(zhí)行。

通過(guò)使用BRK指令設(shè)置軟件斷點(diǎn)。

有了這些功能，主機(jī)可以提供軟件斷點(diǎn)、單步執(zhí)行和程序的跟蹤處理器。處理器也可以停止自己與標(biāo)志指示。

1.標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口

ARC EM處理器提供標(biāo)準(zhǔn)的4線JTAG調(diào)試接口，通過(guò)它將MetaWare調(diào)試器與用戶(hù)應(yīng)用程序連接，進(jìn)行調(diào)試。

2.2線JTAG接口

另外，ARC EM處理器還提供兩線JTAG調(diào)試接口，如圖2-13所示。這是一個(gè)額外的模塊，可用來(lái)調(diào)試主機(jī)和現(xiàn)有的5線JTAG端口之間的連接。

3.Actionpoints

ARC EM系列處理器提供可選的斷點(diǎn)調(diào)試系統(tǒng)Actionpoints。

Actionpoints支持?jǐn)帱c(diǎn)和觀察點(diǎn)。在執(zhí)行特定的一條或一系列指令時(shí)，將會(huì)觸發(fā)斷點(diǎn)調(diào)試。當(dāng)檢測(cè)到特定執(zhí)行地址或數(shù)據(jù)訪問(wèn)的存儲(chǔ)器地址值、輔助寄存器讀（LR）和寫(xiě)（SR）時(shí)，以及特定的數(shù)據(jù)值讀寫(xiě)到存儲(chǔ)器或者輔助寄存器時(shí)，將會(huì)觸發(fā)觀察點(diǎn)。斷點(diǎn)和檢查點(diǎn)都可以被編程。某些Actionpoints在觸發(fā)指令完成之前生效，而有的則在觸發(fā)指令完成后生效。所有斷點(diǎn)寄存器只能在內(nèi)核模式下進(jìn)行操作；在用戶(hù)模式下訪問(wèn)這些寄存器時(shí)會(huì)引發(fā)權(quán)限沖突異常。

注意Actionpoints和軟件斷點(diǎn)的區(qū)別。軟件斷點(diǎn)一般是將某個(gè)地址的指令替換成BRK指令，當(dāng)處理器執(zhí)行到BRK指令時(shí)，進(jìn)入暫停狀態(tài)以供調(diào)試器訪問(wèn)。Actionpoints是一個(gè)硬件邏輯，其斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)數(shù)量都是有限的，并取決于處理器配置。并且Actionpoints觸發(fā)條件不限于執(zhí)行的PC地址一種。

4.SmaRT

ARC EM系列處理器還提供可選的小型實(shí)時(shí)跟蹤模塊（SmaRT）。

小型實(shí)時(shí)跟蹤（SmaRT）是一個(gè)可選片上調(diào)試硬件組件，進(jìn)行指令跟蹤。智能存儲(chǔ)最近的、非順序執(zhí)行的指令的地址。MetaWare確保SmaRT調(diào)試器的使用，并且顯示指令跟蹤的歷史記錄。當(dāng)處理器停止時(shí)，MetaWare調(diào)試器通過(guò)JTAG端口讀取指令跟蹤信息并保存。

小型實(shí)時(shí)跟蹤結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。其特征如下：

用不同的堆棧大?。◤?到4096）記錄程序流的變化。

任何非順序執(zhí)行的指令都將被存儲(chǔ)，包括直接跳轉(zhuǎn)、分支跳轉(zhuǎn)、中斷和異常以及循環(huán)。多個(gè)分支到相同的位置（內(nèi)環(huán)）存儲(chǔ)為單個(gè)條目，以最大化堆棧的使用。

節(jié)能功能包括關(guān)閉模塊時(shí)鐘和當(dāng)不在跟蹤模式時(shí)清空所有的信號(hào)輸入。MetaWare調(diào)試器顯示跟蹤信息，不需要單獨(dú)的專(zhuān)用跟蹤端口。