3.5 复位后取第一条指令的过程分析

假如宇宙始于一次大爆炸，那么我们的OR1200就始于加电的那一刻，但此刻还是一片混沌（内部还没有初始化），所以需要一个复位信号，复位之后，OR1200的世界就进入一个确定性的世界了，会依次取得指令并执行，本节分析取得第一条指令的过程。

3.5.1 复位信号有效阶段

复位信号有效阶段指的是OR1200的输入信号rst为1的时期。

通过图3.8可知CPU中的GENPC模块产生指令地址（icpu_adr_o），以及指令Wishbone总线周期的开始信号（icpu_cycstb_o），从QMEM取得的指令（icpu_dat_i）送入IF模块。所以我们的关注点就是GENPC模块、IF模块和QMEM模块。

1．GENPC模块的信号变化

在GENPC模块中有如下代码，确定指令Wishbone总线的总线周期开始信号icpu_cycstb_o、地址信号icpu_adr_o的值。

上式中很多信号都是外部输入到GENPC的，通过or1200_cpu.vsd可以很清楚地知道信号的来源（再次强调多使用光盘中的or1200_top.vsd、or1200_cpu.vsd，会给我们带来很大的方便），以no_more_dslot为例，该信号来自CTRL模块的输出no_more_dslot，在CTRL模块中有如下代码。

所以no_more_dslot在复位的时候为0。使用同样的步骤可以发现在复位的时候except_start、spr_pc_wr、genp_freeze、pre_branch_op都为0，所以复位的时候GENPC的icpu_cycstb_o信号为1。但是变量icpu_rty_i不同，通过分析可以得出图3.14，从中可知icpu_rty_i的值最终取决于WB_BIU模块中的icbiu_ack_o、icbiu_err_o。

在WB_BIU模块中，icbiu_ack_o、icbiu_err_o的值如下。

复位的时候biu_ack_o、biu_err_o都为0，所以GENPC的icpu_rty_i为1，导致GENPC模块的输出icpu_adr_o等于icpu_adr_i。

参考图3.8可知GENPC的icpu_adr_i来自IMMU模块，是IMMU的输出icpu_adr_o，IMMU中有如下代码。

从上述代码可知在复位的时候IMMU的输出信号icpu_adr_o为0x100，所以复位的时候GENPC的输入icpu_adr_i就是0x100。此时GENPC的输出icpu_adr_o等于icpu_adr_i，所以GENCP的输出icpu_adr_o是0x100。

通过上面的分析可知在复位的时候GENPC的输出icpu_adr_o为0x100、icpu_cycstb_o为1，对照Wishbone总线的规范可知，也就是主设备的输出CYCSTB_O有效，表示总线操作开始，主设备的输出ADR_O为0x100。

此外在GENPC模块内部也有一些信号变化，其代码如下。

ModelSim仿真波形如图3.15所示，可验证复位信号有效阶段GENPC的信号确如上面的分析。

2．IF模块的信号变化

QMEM的输出数据送到IF的icpu_dat_i，但该数据不一定就是下一步需要执行的指令，在IF模块中变量if_insn表示下一步需要执行的指令，其定义如下。

在复位的时候no_more_dslot、rfe、if_bypass和saved都为0，读者可以自行分析原因，icpu_ack_i来自QMEM的输出qmemicpu_ack_o，通过分析，在复位阶段icpu_ack_i的值最终由WB_BIU模块中的icbiu_ack_o确定，如图3.16所示。

在复位的时候WB_BIU模块icbiu_ack_o为0，所以IF的输入icpu_ack_i为0。从而if_insn为{`OR1200_OR32_NOP, 26’h061_0000}，这里OR1200_OR32_NOP的值就是6’b000101，所以if_insn为0x14610000。

综合对GENPC、IF模块的分析，可以得出在复位信号有效阶段，CPU、QMEM之间的指令Wishbone总线的信号如图3.17所示，此处还是从主设备的角度观察信号，即观察CPU侧的信号情况。从图中可以了解到总线操作周期开始了（CYCSTB_O为1），地址也送出去了，但是还没有收到从设备的响应（ACK_I为0）。

3．QMEM模块的信号变化

对QMEM模块重点分析其内部RAM的接口信号，如3.4节的分析，主要是qmem_en、qmem_we和qmem_addr。

qmem_we、qmem_addr的值取决于qmemdmmu_cycstb_i的值，从图3.11中可知该信号连接到CPU内部的LSU模块的dcpu_cycstb_o，在LSU中有如下代码。

从上面的代码可知在复位的时候dcpu_cycstb_o为0，所以QMEM中RAM的qmem_we为0，qmem_addr为qmemimmu_adr_i，即指令Wishbone总线输入的地址，此时是0x100。

3.5.2 复位信号无效后的第一个时钟周期上升沿

1．GENPC模块的信号变化

复位信号无效指的是OR1200的输入rst为0的时期。

参考3.5.1节中的内容，此时pcreg_select变为0。

2．IF模块的信号变化

IF模块中有变化的信号不影响系统执行，暂时不考虑。

3．QMEM模块的信号变化

在QMEM中的变量state会变为OR1200_QMEMFSM_FETCH，同时qmem_icak为1。

在上述分析知道QMEM内部RAM的片选信号ce为1，地址信号addr为qmem_addr[12:2]，也就是0x40，写信号we为0，所以此时会寄存地址信号，addr_reg变为0x40。

3.5.3 复位信号无效后的第一个时钟周期的组合逻辑阶段

1．QMEM模块的信号变化

QMEM的内部RAM会给出第一条指令，位于mem[0x40]处。

由QMEM内部RAM的例化语句可知doq连接到QMEM的qmem_do，并且此时qmem_iack为1，所以qmemicpu_dat_o为qmem_do，也就是第一条指令的值，同时qmemicpu_ack_o为1。

参考图3.8可知qmemicpu_ack_o输出到IF模块的接口icpu_ack_i，qmemicpu_dat_o输出到IF模块的接口icpu_dat_i。

2．IF模块的信号变化

IF模块的icpu_ack_i为1，会将QMEM读出的第一条指令icpu_dat_i赋值给变量if_insn，此时从Wishbone总线的角度观察，icpu_ack_i为1表示从设备响应了主设备，图3.18是ModelSim仿真显示此时指令Wishbone总线的信号。

3．GENPC模块的信号变化

参考3.5.1节中的内容，此时pcreg变为0x40，pc还是0x104，icpu_rty_o为0，不考虑ex_branch_taken、spr_pc_we，认为两者都是0，所以icpu_adr_o变为pc的值，代码如下。

icpu_adr_o会变为0x104，也就是第二条指令的地址。图3.19给出了通过ModelSim仿真得到的复位信号无效后第一个时钟周期的信号变化。通过分析可知在这第一个时钟周期完成了第一条指令的获取，同时也做好了获取下一条指令的准备。