【小脚丫】_和风_: 在小脚丫上运行微控制器软核Mico8(1)

rockhoward

将出一个系列小脚丫的文章，会在小脚丫上运行Mico8微处理器器软核，并添加一些外设；后续会在其上移植Opencore8051。敬请期待～


1. LatticeMico8介绍

Mico8是由Lattice开发等为其FPGA和CPLD产品提供的8位微处理器软核，可用于通信，消费电子，计算机，医疗、工业和自动化等市场。其最小配置少于250个LUT，并仍能保大部分特性。
主要特性介绍：

• 8位数据宽度／18位指令宽度
  
• 可配置指令存储（PROM）
  
  
  
  • 可通过WISHBONE接口连接片内或外部存储
    
  • 能够容纳256，512……4K指令
    
  
  
• Scratchpad存储和外设空间（互相独立）
  
  
  
  • 可通过WISHBONE接口连接片内或外部存储
    
  • 通过使用页寻址支持可支持最多4GB
    
  
  
• 支持最小2个时钟周期的指令执行周期
  
• 可配置为16/32个通用寄存器
  
• 可配置函数调用栈（Call stack）大小
  

2. Mico8软核分析

2.1 寄存器设置

Mico8的指令宽度是18位，使得它可操作最多达32个达通用寄存器；从其寻址模式及寄存器设置来看，更接近ARM等RISC架构。 其page寄存器的设置比较有特点，R13、R14、R15可用作页指针寄存器（Page-pointer，PP），从而使最大寻址范围达4GB；当然，很多情况下并不需要这么大空间，mico8的存储模式支持小、中、大模式，分别支持256，65536以及4GB四种地址范围模式。 Mico8仅有3个控制和状态寄存器（CSR）：IP，IM，IE。都是和中断相关的，分别是中断挂起寄存器，中断掩码寄存器和全局中断使能寄存器。注意，Mico8仅支持最多8个外部中断——容易理解，位宽决定的。

竟然没有暴露PC，运算状态标志位如（溢出，进位，ZERO等）……

2.2 存储架构

下面我们看下其存储架构，Mico8可支持3种不同且相互独立的存储区域：外设，PROM以及Scratchpad。由于它们是相互独立的，其地址范围可以相互重叠。而且每种存储都有自己独立的IO接口和指令集支持——这点很粗暴。
2.2.1 PROM空间

PROM空间：存储程序代码。该空间通过一个高速总线连接到取指引擎（instruction fetch engine），只需要1个时钟周期即可完成取指。当通过8位宽度WISHBONE总线连接到片外存储时候，取指引擎会通过三次读取操作获取执行码（3*8 = 24 > 8，有些浪费～），此时的延迟取决于WISHBONE总线延迟和外部存储的延迟。显然，Mico8的指令设计更适合于片内ROM。 片外PROM的设置另一个好处是可以直接通过Mico8指令进行写入操作（只要执行序列符合ROM写入规则即可）。

比如，我们只要写好SPI Flash的驱动连接取指引擎，我们就可以扩大PROM空间，并可以直接对其编程——实现在线升级等。

Scratchpad空间

Scratchpad空间被设计用于程序读写以及用户自定义数据，实际上就是RAM了。其空间排布从低地址到高地依次是：4字节保留空间（中断专用），程序数据，用户数据。

实际看来，Scratchpad的实现和PROM一样，支持的特性也一样；只不过是通过规范告诉我们一个是用于RAM一个用于ROM，并分别通过不同的指令进行访问——便于编译器的实现，确实很简单、很粗暴。

2.2.2外设（I/O)空间

除了其空间必须是在core的外部，其余设计和PROM、Scratchpad一样。
2.2.3 存储访问模型

Mico8的指令可直接访问256个存储位置，因为其通用寄存器都是8位宽度；当超过256时，需要通过分页来进行大范围访问：  file:///Users/rock/Documents/md_docs/mem_mode.png

2.3 中断架构

Mico8支持最多8个可屏蔽中断，其中断至支持电平触发，低电平有效的中断模式（仍然突出简单二字）。中断寄存器及状态支持如寄存器设置一节所述。 当中断发生时的行为：

• 将要执行的下一条指令会被放入调用栈（Call stack）；
  
• 运算标志（进位和Zero）也被放入调用栈；
  
• Mico8从中断向量开始执行（地址0）；
  
• 执行完毕后，指令iret会弹出调用栈并继续执行
  

Scratchpad的前4个字节供中断使用。只有一个中断向量！用户需要去查询IP寄存器来得到究竟是哪个中断发生（粗暴！）显然它也不支持嵌套中断。
2.4 调用栈（call stack）

中断一节我们提到调用栈，Mico8实现了一个硬件调用栈用于处理过程调用（函数调用，对应于指令call）。栈的深度决定了函数嵌套调用的深度，Mico8支持8，16，32三种调用深度（简陋～）
3.指令集分析及编程模型

了解了处理器架构，就基本上可以知道它支持哪些指令了。不过我们还是分析一下，加深对其架构的理解。
3.1 指令格式

###### Register-Register Format  ###### 17     13 12        8 7          3 210 +--------+-----------+------------+---+ | Opcode |    Rd     |     Rb     |000|+--------+-----------+------------+---+  ###### Register-Immediate Format ###### 17     13 12        8 7              0 +--------+-----------+----------------+ | Opcode |    Rd     |   Constant     | +--------+-----------+----------------+######     Immediate Format      ###### 17      12 11                        0 +---------+---------------------------+ | Opcode  |    Signed Immediate       | +---------+---------------------------+注意到立即数模式种，opcode是6bit，且其操作数是有符号数。
3.2 指令分类

指令：

• 运算：ADD, ADDC, ADDI, ADDIC; CMP, CMPI; SUB, SUBC, SUBI, SUBIC;
  
• 逻辑：AND, ANDI, OR, ORI,ROL, ROLC, ROR, RORC, XOR, XORI
  
• 标志位操作：CLRC, CLRI, CLRZ, SETC, SETI, SETZ, TEST, TESTI
  
• 跳转: B, BC, BNC, BZ
  
• 调用：CALL, CALLC, CALLNC, CALLNZ,CALLZ, IRET(回复标识位，中断用), RET
  
• 外设操作：EXPORT, EXPORTI, IMPORT, IMPORTI
  
• Scratchpad操作：LSP, LSPI, SSP, SSPI
  
• 寄存器操作：RCSR, WCSR, MOV, MOVI
  
• 其它: NOP
  

几种模式：

• 后缀C／I：分别时带进位操作，立即数操作，以及组合。
  
• 存储的读取时标准的load-store模式，（以及大量设置通用寄存器），明显RISC架构的味道。
  

注意到没有对PROM区域的操作？实际上指令完全是被动执行，不能通过对PC赋值的形式实现程序流控制。简单，够用～
3.3 编程模型

数据表示：char-8bit，short-16bit，int-16bit, long-32bit, pointer-取决于存储模式设置，浮点-32位。
Mico8同样有类似于ARM的ATPCS规则，规定了函数调用时输入，输出参数传递的规则。
栈帧： 程序运行时，每个函数调用都会有其运行时的栈帧。其增长方向向下，SP永远指向最后一个
Mico8只能有一个中断处理函数，且必须命名为__IRQ：
<div><pre>__attribute ((interrupt)) __IRQ (void) {    /* user interrupt code, should check IP to get which       interrupt happened.    */}关于Scratchpad和外设区域： Mico8编译器默认所有的存储器读取都编译成scratchpad区域的存取（即指令LSP, LSPI, SSP, SSPI），如果用户要操作外设区域的话，用户需要显式的使用该指令。 显然，用户要么用内联汇编，要么直接用汇编（或者用其编译器指定的一些内置函数，如void __builtin_export (char value, size_t address))

其实本部分时和编译器相关，而和硬件无关的；只不过是告诉用户如果使用汇编和C交互时候，需要遵循的编译器规则。

3. 在小脚丫上运行Mico8软核

[未完待续]