跟我写ARM处理器之二：主体结构的确定

ls if ( cod_is_mult )

code_rs =code_rsa;

else begin

code_rs =32b0;

code_rs[code_rot_num] = 1b1;

end

always @ ( * )

case ( code[11:8] )

4h0 : code_rsa =r0;

4h1 : code_rsa =r1;

4h2 : code_rsa =r2;

4h3 : code_rsa =r3;

4h4 : code_rsa =r4;

4h5 : code_rsa =r5;

4h6 : code_rsa =r6;

4h7 : code_rsa =r7;

4h8 : code_rsa =r8;

4h9 : code_rsa =r9;

4ha : code_rsa =ra;

4hb : code_rsa =rb;

4hc : code_rsa =rc;

4hd : code_rsa =rd;

4he : code_rsa =re;

4hf : code_rsa =rf;

endcase

*/

Sec_operand的例子就不用举了吧，无非是根据指令选择符合该指令的要求，来送给下一级的加/减法器。

所以说，这样的两级流水线我们同样可以完成。现在使用三级流水线，关键路径是26ns。如果使用两级流水线，绝对在50 ns以内。工作在20MHz的ARM，同样也是受低功耗用户们欢迎的。有兴趣的，在看完我的文章后，把ARM核改造成两级流水线。

现在要转换一个观念。以前的说法：第一级取代码；第二级解释代码，第三级执行代码。现在要转换过来，只有两级，第一级：取代码；第二级执行代码。而现在我做成第三级，是因为一级执行不完，所以要分两级执行。所以是：第一级取代码；第二级执行代码阶段一（主要是乘法）；第三级执行代码阶段二（主要是加/减法）。

也许有人要问，那解释代码为什么不安排一级？是因为我觉得解释代码太简单，根本不需要安排一级，这一点，我在下一节会讲到。

既然这个核是三级流水线，还是从三级流水线讲起。我把三级流水线的每一级给了一个标志信号，分别是：rom_en, code_flag, cmd_flag。rom_en对应第一级取代码，如果rom_en==1b1表示需要取代码，那这个代码其实还处在ROM内，我们命名为“胎儿”；如果code_flag==1b1表示对应的code处于执行阶段一，可以命名为“婴儿”；如果cmd_flag==1b1，表示对应的code处于执行阶段二，命名为“小孩”。当这个指令最终执行结束，可以认为它死去了，命名为“幽灵”。

rom_encode_flagcmd_flag

-----------------

|胎儿|婴儿小孩-->幽灵

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现在，我们模拟一下这个执行过程吧。一般ROM里面从0开始的前几条指令都是跳转指令，以hello这个例程为例，存放的是：LDR PC,[PC,#0x0018]；连续五条都是这样的。

刚上电时，rom_en==1b1，表示要取number 0号指令：

rom_en==1b1code_flagcmd_flag

（addr=0）

-----------------

|胎儿|婴儿小孩-->幽灵

-----------------

LDR PC,[PC,#0x0018]

第一个clock后；第一条指令LDR PC,[PC,#0x0018]到了婴儿阶段。

rom_en==1b1code_flagcmd_flag

（addr=4）

-----------------

|胎儿|婴儿小孩-->幽灵

-----------------

LDR PC,[PC,#0x0018]LDR PC,[PC,#0x0018]

第二个clock后，第一条指令LDR PC,[PC,#0x0018]到了小孩阶段。

rom_en==1b1code_flagcmd_flag

（addr=8）

-----------------

|胎儿|婴儿小孩-->幽灵

-----------------

（addr=8）（addr=4）(addr=0）

LDR PC,[PC,#0x0018]LDR PC,[PC,#0x0018]LDR PC,[PC,#0x0018]

当“小孩”== LDR PC,[PC,#0x0018]时，不能再取addr==8的指令了。因为addr=0时的LDR PC,[PC,#0x0018]更改了PC的值，不仅不能取新的code，连处于婴儿阶段的code也不能执行了。如果执行的话，那就是错误执行。为了避免addr=4的LDR PC,[PC,#0x0018]执行，我们可以给每一个阶段打一个标签tag，比如code_flag对应婴儿，cmd_flag对应小孩。只有在cmd_flag==1b1时，指令才执行。如下图所示。

rom_en==1b0code_flagcmd_flag

（addr=8）0-->0 -->

-----------------

|胎儿|婴儿小孩-->幽灵

-----------------

（addr=8）（addr=4）(addr=0）

LDR PC,[PC,#0x0018]LDR PC,[PC,#0x0018]LDR PC,[PC,#0x0018]

(修改PC）

发出读指令

一旦有修改PC，那么rom_en立即赋值为1b0。code_flag, cmd_flag在下一个时钟赋给1b0。表示在下一个时钟“婴儿”和“小孩”都是非法的，不能执行。但是新的PC值不是立即得到的，因为LDR指令是要从RAM取数据，在小孩阶段只能发出读指令，在一个时钟，新的PC值才出现在ram_rdata，但还没有出现在R15里面，所以要等一个时钟。

rom_en==1b0code_flag==1b0cmd_flag==1b0

（addr=8）

-----------------

|胎儿|婴儿小孩-->幽灵

-----------------

（addr=8）（addr=8）(addr=4）(addr=0 )

XLDR PC,[PC,#0x0018]LDR PC,[PC,#0x0018]LDR PC,[PC,#0x0018]

ram_rdata=NEW PC

在空闲的这个周期内，为了让指令不执行，只要赋值：rom_en, code_flag, c