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版权所有，禁止未经授权的商业使用行为. 何宾 Tel:13911127536 email:hebin@mail.buct.edu.cn. 北京中教仪装备技术有限公司. 培训内容. Xilinx 片上可编程系统设计导论 MicroBlaze 处理器原理 EDK 工具概述 操作系统 (OS) 及板级支持包 (BSP) 概述 基于 EDK10.1 和 MicroBlaze 处理器的设计流程. 指令一侧总线接口. 数据一侧总线接口. 可选择的配置. MicroBlaze 软核处理器原理 -- MicroBlaze 软核处理器结构.
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版权所有，禁止未经授权的商业使用行为 何宾 Tel:13911127536 email:hebin@mail.buct.edu.cn 北京中教仪装备技术有限公司
培训内容 • Xilinx片上可编程系统设计导论 • MicroBlaze处理器原理 • EDK工具概述 • 操作系统(OS)及板级支持包(BSP)概述 • 基于EDK10.1和MicroBlaze处理器的设计流程
指令一侧总线接口 数据一侧总线接口 可选择的配置 MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构 • DPLB（Data Processor Local Bus）：数据接口，处理器 本地总线； • DOPB（Data On-chip Peripheral Bus）：数据接口，片 上外设总线； • DLMB（Data Local Memory Bus）：数据接口，本地存 储器总线；
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构 • IPLB（Instruction Processor Local Bus）：指令接口， 处理器本地总线； • IOPB（Instruction On-Chip Peripheral Bus）：指令接 口，片上外设总线； • ILMB（Instruction Local Memory Bus）：指令接口， 本地存储器总线；
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构 • MFSL 0..15（Fast Simple Link, FSL master interface）： FSL主接口； • DWFSL 0..15（FSL master direct connection interface）：FSL主直接连接接口； • SFSL0..15（Fast Simple Link, FSL slave interface）： FSL从接口； • DRFSL0..15（FSL slave direct connection interface）： FSL从直接连接接口；
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构 • IXCL（Instruction side Xilinx CacheLink interface）：指令侧高速缓存链接接口； • DXCL（Data side Xilinx CacheLink interface）：数据侧高速缓存链接接口； • Core：时钟、复位、调试和跟踪信号；
MDM ICON IBA LMB BRAM CNTLR LMB BRAM CNTLR BRAM GPIO UART PLB Timer INTC MicroBlaze Flash LEDs EMC CNTLR SRAM Switch MYIP MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构 • 下面给出一个典型的总线结构。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构特点MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构特点 MicroBlaze软核处理器是可配置的，设计人员可以根 据设计定制处理器的可选配置，根据版本的不同可配置 的选项不同。软核处理器有以下几个方面的固定特征： • 1. 32个32位通用寄存器； • 2. 32位3个操作数的指令字，指令字有2种寻址模式； • 3. 32位的地址总线； • 4. 流水线操作。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构 MicroBlaze处理器采用哈佛存储器结构，即指令和 数据访问使用独立的地址空间。 每个一个地址空间都是32位长度（即，它们可以独 立的访问4GB的地址空间的指令和数据存储器）。 通过控制使重叠的数据和指令空间映射到相同的相 同的物理存储器上。这样对于调试试非常好的。 MicroBlaze处理器采用存储器映射方式访问I/O设备， 即存储器和I/O设备采用统一编址方式。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器结构 处理器有下面三种接口可以通过存储器的方式访问： • 本地存储器总线(LMB)； • 处理器本地总线(PLB)或者片上外设总线(OPB)； • Xilinx的CacheLink(XCL)。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器指令MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器指令 MicroBlaze处理器指令为32比特长度，指令分为类型 A和类型B。 类型A指令包含两个源寄存器操作数和一个目的寄存 器操作数。 类型B指令一个源寄存器、一个16位的立即数（通过 imm指令扩展到32位）和一个目的寄存器操作数。 MicroBlaze处理器的指令完成的功能有：算术操作、 逻辑操作、分支操作、加载/存储操作和其它特殊操作。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器FPUMicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器FPU IEEE754单精度浮点数由1位符号位、8位偏置指数 和23位小数（尾数）部分组成。下表给出了IEEE754单 精度格式。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器FPU运算MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器FPU运算 • 算数操作：加，浮点加（fadd）；减，浮点减（fsub） ；乘，浮点乘（fmul）；除，浮点除（fdiv）；平方根， 浮点平方根（fsqrt）； • 比较：小于，浮点小于（fcmp.lt）、等于，浮点等于 （fcmp.eq）；小于等于，浮点小于等于（fcmp.le）；大于 ，浮点大于（fcmp.gt）；不等于，浮点不等于（fcmp.ne） ；大于等于，浮点大于等于（fcmp.ge）；无序，浮点无序 （fcmp.un，NaN使用）； • 转换：有符号整数到浮点（flt）；浮点到有符号整数 （fint）
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器FSL接口MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器FSL接口 MicroBlaze处理器可配置为16个快速单一链接（Fast Simplex Link，FSL）接口，每个接口由一个输入和输出 端口组成。FSL通道是专用单向的点对点数据流接口。 MicroBlaze接口为32比特宽度。一个对立的比特用来 描述发送/接收字是控制类型还是数据类型。Get指令用来 从FSL端口到通用寄存器传输信息；put指令以相反的方向 传输信息。所有指令4种类型：阻塞数据、非阻塞数据、 阻塞控制、非阻塞控制。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器FSL接口MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器FSL接口 每个FSL提供低延迟专用的接口到处理器流水线。 FSL是使用定制加速器和处理器扩展的理想接口。下图 给出了使用定制硬件加速的例子。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器流水线MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器流水线 当采用面积优化时，流水线分为三级，即：取指，译 码和执行，这样可以减少硬件开销。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器流水线MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器流水线 当不使用面积优化时，流水线分为五级：取指、译 码、执行、访问存储器和回写，这样可以提高性能。下 图给出了五级流水结构。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器寄存器MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器寄存器 • 程序计数器(PC) • 机器状态寄存器(MSR) • 异常地址寄存器(EAR) • 异常状态寄存器(ESR) • 分支目标寄存器(BTR) • 浮点状态寄存器(FSR) • 异常数据寄存器(EDR) • 进程标识寄存器 (PID) • 区域保护寄存器(ZPR)
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器寄存器MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器寄存器 • 转换旁视缓冲低位寄存器(TLBLO) • 转换旁视缓冲高位寄存器(TLBHI) • 转换旁视缓冲索引寄存器(TLBX) • TLB查找索引寄存器(TLBSX) • 处理器版本寄存器（PREV)
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器MMUMicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze软核处理器MMU MMU完成以下几个功能： • 1）将有效地址转化成物理地址； • 2）在地址转换时，控制页面级访问； • 3）在使用区域时，提供额外的虚拟模式保护控制； • 4）对指令地址、数据地址转换和保护提供独立控制； • 5) 支持8种页面尺寸：1KB，4KB，16KB，64KB, 256KB，1MB，4MB和16MB； • 6）软件提供页面替换策略；
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器虚拟存储器管理MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器虚拟存储器管理 运行在MicroBlaze处理器的应用程序要求使用有效地 址访问4GB地址空间。处理器通过转换模式，以下面两种 方式理解该地址空间。 • 在实模式下，有效地址直接访问物理存储器； • 在虚拟模式下，通过处理器的虚拟存储器管理硬件 • （MMU）有效地址被转化物理地址。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器MMU实模式MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器MMU实模式 当处理器取指或使用加载/存储指令访问数据时，处 理器查看存储器。程序使用处理器计算得到的32位的有 效地址查看存储器的位置。 当使用实模式时，物理地址和有效地址是一样的。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器MMU虚模式MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器MMU虚模式 在虚拟模式下，将 有效地址转换成物理地 址。通过设置MSR寄存 器的VM比特来使能虚 拟模式下的存储器管理。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的事件及处理MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的事件及处理 MicroBlaze支持复位、中断、用户异常、断点和硬件 异常。下面将描述和这些事件相关的处理流程。这些事件 按优先级从高到低依次为：复位、硬件异常、非屏蔽断点、 断点、中断、用户矢量（异常）。 下表记录了这些事件相关的存储器地址和保存返回地 址的寄存器。每个矢量分配了两个地址以便允许全地址范 围分支（要求 BRAI IMM指令）。地址范围0x28-0x4f是为 支持将来的Xilinx软件而保留的。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的事件及处理MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的事件及处理
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的指令缓存MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的指令缓存 MicroBlaze处理器可选择指令缓存，当执行那些驻留在 LMB地址范围外的代码时，使用指令缓存可以提高性能。 指令缓存有以下特点： • 1）直接映射（1-way 关联）； • 2）用户可选择的缓存地址范围； • 3）可配置的缓存和标记大小； • 4）CacheLink（XCL）接口上的缓存； • 5）选择使用4/8线字缓存行； • 6）使用MSR寄存器控制打开/关闭缓存； • 7）可选的WIC指令使指令缓存行无效。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的数据缓存MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的数据缓存 MicroBlaze处理器有可选的数据缓存提高性能。缓存的存 储器地址不得在LMB的地址范围内。 数据缓存有以下特点： • 1）直接映射（1-way 关联）； • 2）完全写入； • 3）用户可选择的缓存地址范围； • 4）可配置的缓存和标记大小； • 5）CacheLink（XCL）接口上的缓存； • 6）选择使用4/8线字缓存行； • 7）使用MSR寄存器控制打开/关闭缓存；可选的； • 8）WDC指令使指令缓存行无效。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的调试MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的调试 MicroBlaze有的调试接口可以用来支持基于JTAG的软 件调试工具（BDM或后台调试模式调试器），比如Xilinx Microprocessor Debug（XMD）工具。 调试接口用于和Xilinx Microprocessor Debug（XMD） 连接，XMD和Xilinx的JTAG端口连接。 多个MicroBlaze的例子（例化）使用单个XDM连接进 行多处理器调试。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的调试MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze处理器的调试 调试特点有以下几个方面： • 1、可配置硬件断点数目、观察点和无限的软件断点； • 2、外部处理器控制使能调试工具停止、复位和单步； • 3、读写存储器，通用寄存器，特殊功能寄存器--EAR， EDR，ESR，BTR和PVR0-PVR11只读； • 4、支持多处理器； • 5、写指令和数据缓存。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze信号接口 MicroBlaze处理器能配置成下面的总线接口： • 32位版本的PLBV4.6接口； • 32位版本的OPB2.0接口； • LMB提供简单同步协议用于高效的块RAM传输； • FSL提供快速无需仲裁的流通信机制； • XCL提供在缓存和外部存储器控制器之间的快速从设备仲裁的流接口； • 调试接口和处理器调试模块（MDM）一起使用； • 跟踪接口用于性能分析。
MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze应用二进制接口-存储器模型MicroBlaze软核处理器原理--MicroBlaze应用二进制接口-存储器模型 MicroBlaze所定义的存储器模型有四个不同的部分： • 1）小数据区； • 2）数据区； • 3）普通的非初始化区； • 4）字面值（Literal）或常数。
