以下内容摘自《步步惊芯——软核处理器内部设计分析》一书
5 IMMU使用情景
前几章通过对OR1200处理器中各类指令执行过程的分析，实现了对CPU模块的剖析，本章将采用情景分析法，通过对使用IMMU的各种情景的分析以实现对IMMU模块剖析。使用IMMU的情景有如下几种：
（1）使用IMMU进行地址翻译，同时ITLB命中，且没有违反页保护策略
（2）使用IMMU进行地址翻译，但是ITLB未命中
（3）使用IMMU进行地址翻译，虽然ITLB命中，但是违反了页保护策略
（4）l.mtspr指令写特殊寄存器ITLBW0MRx、ITLBW0TRx
（5）l.mfspr指令读取特殊寄存器ITLBW0MRx、ITLBW0TRx
上述五种情景中，情景（1）、（2）、（3）在流水线的取指阶段使用到了IMMU，情景（4）、（5）在流水线的执行阶段使用到了IMMU。本章在后续部分将给出一个示例程序，其中涉及了IMMU的大部分使用情景，结合该示例程序分析在上述几种情景下IMMU的工作过程，从而理解IMMU的代码与原理。
6 分析用例
1、修改最小系统
为了使读者朋友对IMMU的作用有一个直观的认识，本节将给出一个示例程序，该示例程序展示了IMMU初始化、IMMU地址翻译、ITLB失靶异常、违反页保护策略而引发指令页失效异常等多种情况。在使用该示例程序之前，需要修改or1200_defines.v文件中的如下定义以启用IMMU：
or1200_defines.v //`define OR1200_NO_IMMU 注释掉此处的宏定义，表示需要IMMU
这样我们的最小系统就修改成如图10.11所示，在CPU与QMEM模块之间添加了IMMU模块。CPU模块的指令Wishbone总线接口分为两部分：一部分在CPU与IMMU之间，一部分在CPU与QMEM之间，参考图3.7可以更加清晰的了解这一点。
此外，使用IMMU进行地址翻译时，由于地址翻译是以页为单位的（查询页表），页的大小是8KB，而QMEM中RAM的默认大小就是8KB，也就是只有1页，无法进行仿真，为此需要改变QMEM中RAM的大小。修改步骤如下：
（1）修改or1200_spram_2048x32.v中的地址宽度参数aw，修改为13，使得QMEM中RAM的大小变为32KB，共4页。
or1200_spram_2048x32.v parameter aw = 13; //地址线的宽度，原值为11，新值为13 parameter dw = 32;
（2）修改QMEM中or1200_spram_2048x32的例化代码，如下：
or1200_qmem_top.v or1200_spram_2048x32 or1200_qmem_ram( .clk(clk), .rst(rst), `ifdef OR1200_BIST .mbist_si_i(mbist_si_i), .mbist_so_o(mbist_so_o), .mbist_ctrl_i(mbist_ctrl_i), `endif `ifdef OR1200_QMEM_BSEL .sel(qmem_sel), `endif `ifdef OR1200_QMEM_ACK .ack(qmem_ack), `endif //将.addr(qmem_addr[12:2])改为.addr(qmem_addr[14:2]) .addr(qmem_addr[14:2]), .ce(qmem_en), .we(qmem_we), .oe(1'b1), .di(qmem_di), .doq(qmem_do) );
修改结束后，需要在ModelSim中重新编译才可进行仿真。
2、示例程序
本节将给出一个示例程序，该程序涉及了IMMU的大部分使用情景，包括：ITLB命中且无页错误、ITLB失靶、ITLB命中但是有页错误、指令l.mtspr写IMMU中特殊寄存器等，读者借助于该程序可以更加具体的认识IMMU。
示例程序如下，共分为8步，读者朋友可以按照第1步、第2步、第3步……第8步这样的顺序阅读，便于理解：
.section .text,"ax"
.global _start
####################### 第7步 ########################
.org 0x000C
l.movhi r1,0x12
l.movhi r1,0x13 #第6步修改ITLB后，有效地址0x6010被翻译为0x0010
l.movhi r1,0x14
l.movhi r1,0x15
l.ori r2,r0,0x8040 #r2=0x8040
l.movhi r1,0x9
l.mtspr r0,r2,0x0011 #将0x8040写入SR，从而使得处理器进入用户模式
l.movhi r1,0x16 #在设置处理器进入用户模式之前已经读取到本指令进入
#流水线，所以不受影响
l.movhi r1,0x17 #在设置处理器进入用户模式之前已经读取到本指令进入
#流水线，所以不受影响
l.movhi r1,0x18 #读取指令时ITLBW0TR3的标志位uxe是0，所以本指令会引
#发指令页失效异常，转移至指令页失效异常处理例程入口
#地址0x400处
l.movhi r1,0x19 #上一条指令引发指令页失效异常，所以不会执行本指令
l.movhi r1,0x20 #不会执行本指令
###################### 第1步 ########################
.org 0x100
_start:
l.andi r0,r0,0 #初始化r0-r4，都设置为0
l.extwz r1,r0
l.extwz r2,r0
l.extwz r3,r0
l.extwz r4,r0
##################### 第2步 ###########################
###### 初始化ITLB，初始化的方法就是使用l.mtspr写ITLBW0MRx、ITLBW0TRx ####
l.ori r3,r0,0x1 #设置寄存器r3为0x1
l.mtspr r0,r3,0x1200 #向地址0x1200的SPR写入0x1，0x1200对应的SPR
#就是ITLBW0MR0，所以此处就是设置ITLBW0MR0，
#对应MR表的第0项放置0x1，其中VPN为0，Valid为1
l.ori r3,r0,0x20C0 #设置寄存器r3为0x20C0
l.mtspr r0,r3,0x1280 #向地址0x1280的SPR写入0x20C0，0x1280对应的
#SPR就是ITLBW0TR0，所以此处就是设置ITLBW0TR0，
#对应TR表的第0项放置0x20C0，其中PPN为0x1，
#sxe为1，uxe为1，ci为0
#上述两项设置使得有效地址0x0-0x01FFF被翻译为物理地址0x2000-0x3FFF
l.ori r3,r0,0x0 #设置寄存器r3为0x0
l.mtspr r0,r3,0x1203 #向地址0x1203的SPR写入0x1，0x1203对应的SPR
#就是ITLBW0MR3，所以此处就是设置ITLBW0MR3，
#对应MR表的第3项放置0x0，其中VPN为0，
# Valid为0，即ILTBW0MR3无效
l.ori r3,r0,0x40C0 #设置寄存器r3为0x40C0
l.mtspr r0,r3,0x1283 #向地址0x1283的SPR写入0x40C0，0x1283对应的
#SPR就是ITLBW0TR3，所以此处就是设置ITLBW0TR3，
#对应TR表的第3项放置0x40C0，其中PPN为0x2，
# sxe为1，uxe为1，ci为0
#上述两项设置使得有效地址0x6000-0x7FFF被翻译为物理地址0x4000-0x5FFF，但
#是由于标志位V设置为0，所以使用该表项翻译时会出现ITLB失靶异常
################### 第3步 ########################
l.mfspr r1,r0,0x0011 #读取SR到寄存器r1，SR初始化时的值为0x8001，
#可知SR[IME]为0表示IMMU禁用
l.ori r1,r1,0x40 #修改r1为(0x8001 | 0x40)=0x8041
l.ori r2,r2,0x0 #设置寄存器r2为0x0
l.mtspr r0,r1,0x0011 #将0x8041写入SR，从而修改SR[IME]为1，使能IMMU，
#本指令执行时，下面的一条指令已经被取出，并进
#入流水线
l.jr r2 #在使能IMMU时，本指令已经被取出并进入流水线，
#所以会得到执行，该指令的作用是转移到有效地址
#0x0处，但是由于已经使能IMMU，所以转移物理地
#址对应就是0x2000
l.movhi r1,0x1 #延迟槽指令，使能IMMU的时候，本指令已经被取出
#并进入流水线，所以会得到执行
l.movhi r1,0x2 #不会执行本条指令，因为IMMU已使能，将从0x2000
#处读取指令
################### 第8步 ##########################
.org 0x400 #指令页失效处理例程
l.movhi r1,0x15 #设置r1为0x15000
l.movhi r1,0x16 #设置r1为0x16000，这两条指令的作用是验证处理器
#最终是否转移到指令页失效异常处理例程
l.nop 0x0001 #结束
################### 第5步 ###########################
.org 0xA00 #ITLB失靶异常处理例程
l.ori r3,r0,0x1 #设置寄存器r3为0x1
l.mtspr r0,r3,0x1203 #向地址0x1203的SPR写入0x1，0x1203对应的SPR就是
#ITLBW0MR3，所以此处就是设置ITLBW0MR3，对应MR表
#的第3项放置0x1，其中VPN为0，Valid为1
l.ori r3,r0,0x4040 #设置寄存器r3为0x4040
l.mtspr r0,r3,0x1283 #向地址0x1283的SPR写入0x4040，0x1283对应的SPR就
#是ITLBW0TR3，所以此处就是设置ITLBW0TR3，对应TR
#表的第3项放置0x4040，其中PPN为0x2，
# sxe为1，uxe为0，ci为0
#上述两项设置使得有效地址0x6000-0x7FFF被翻译为物理地址0x4000-0x5FFF
l.rfe #ITLB失靶异常返回，回到有效地址0x6000处，此时
#0x6000被翻译到物理地址0x4000
#################### 第4步 ###########################
.org 0x2000
#这几条指令没有特殊目的，只是用于验证处理器在此处执行过
l.movhi r1,0x3
l.movhi r1,0x4
l.movhi r1,0x5
l.ori r2,r0,0x6000
l.jr r2 #转移到有效地址0x6000处，该有效地址对应的就是
#ITLBW0MR3，但是由于ITLBW0MR3的标志位V为0，即
#该ITLB表项无效，所以会引发ITLB失靶异常，转移
#至ITLB失靶异常处理例程入口地址0xA00处执行
l.movhi r1,0x6 #延迟槽指令会得到执行
l.movhi r1,0x7 #不会执行本指令
l.movhi r1,0x8 #不会执行本指令
##################### 第6步 ###########################
.org 0x4000 #从失靶异常返回后，会转移到有效地址0x6000处，
#对应的物理地址就是0x4000
l.ori r3,r0,0x0040 #设置寄存器r3为0x0040
l.mtspr r0,r3,0x1283 #向地址0x1283的SPR写入0x0040，0x1283对应的SPR
#就是ITLBW0TR3，所以此处就是设置ITLBW0TR3，对
#应TR表的第3项放置0x0040，其中PPN为0x0，
# sxe为1，uxe为0，ci为0
#上述两项设置使得有效地址0x6000-0x7FFF被翻译为物理地址0x0000-0x1FFFF
l.movhi r1,0x9 #修改ITLB时本指令处于流水线取指阶段，所以本
#指令会得到执行
l.movhi r1,0x10 #修改ITLB时本指令处于流水线取指阶段，所以本
#指令会得到执行
l.movhi r1,0x11 #本指令不会得到执行，会重新翻译地址，有效地
#址0x6010被翻译为0x0010
###################### 结 束 ##########################
示例程序比较长，可以分为8步，每一步涉及到的代码在上面使用注释符分隔开，读者朋友需要借助本章前面几节介绍的ITLB知识仔细体会，执行流程如下：
第1步：初始化r0-r4，都设置为0。
第2步：初始化ITLB中的表项，主要是两个表项，对应图10.7中的第0、3项，初始化的方法就是使用指令l.mtspr写ITLBW0MR0、ITLBW0TR0、ITLBW0MR3、ITLBW0TR3。此处设置ITLBW0MR0为0x1、ITLBW0TR0为0x20C0，这样IMMU会将有效地址0x0-0x01FFF翻译为物理地址0x2000-0x3FFF；设置ITLBW0MR3为0x0、ITLBW0TR3为0x40C0，原计划是使得IMMU将有效地址0x6000-0x7FFF翻译为物理地址0x4000-0x5FFF，但是由于此处设置ITLBW0MR3为0x0，也就是设置ITLBW0MR3的标志位V为0，所以当IMMU翻译有效地址0x6000-0x7FFF时，会出现ITLB失靶异常。初始化结束后ITLB内容如图10.12所示。
第3步：设置特殊寄存器SR的标志位IME为1，从而使能IMMU，然后转移到有效地址0x0处。有效地址0x0被翻译为物理地址0x2000，所以会转移到0x2000处执行。
第4步：从物理地址0x2000处读取代码并执行，其中会使用指令l.jr转移到有效地址0x6000，由于翻译有效地址0x6000时会使用ITLBW0MR3，而此时ITLBW0MR3为0，其中标志位V为0，也就是0x6000对应的ITLB表项无效，所以会引发ITLB失靶异常，转移到ITLB失靶异常处理例程入口地址0xA00处执行。如图10.13所示。
第5步：执行ITLB失靶异常处理例程，其中设置ITLBW0MR3为0x1，使得ITLB第3个表项有效。ITLB失靶异常处理例程会使用指令l.rfe从异常返回，返回地址是0x6000，但0x6000是有效地址，此时通过IMMU翻译得到对应物理地址是0x4000，所以会从物理地址0x4000处取得指令并执行。
第6步：执行物理地址0x4000处的代码，其中设置ITLBW0TR3为0x0040，使得IMMU将有效地址0x6000-0x7FFF翻译为物理地址0x0000-0x1FFF。指令l.mtspr r0,r3,0x1283修改ITLBW0TR3时，其后面两条指令已经进入流水线，所以会得到执行，但是在取l.mtsprr0,r3,0x1283后面的第三条指令时（有效地址为0x6010）会被翻译为0x0010，也就是从物理地址0x0010处取指，如图10.14所示。同时需要注意，ITLBW0TR3为0x0040，对应的标志位UXE为0，表示该页代码在用户模式下不可执行。
第7步：此处设置SR[SM]为0，使得处理器进入用户模式，而此时ITLBW0TR3[UXE]为0，表示对应页在用户模式下不可执行，所以再取指令的时候会引发指令页失效异常，转移到ITLB指令页失效异常处理例程入口地址0x400处执行。如图10.15所示。
第8步：进入ITLB指令页失效异常处理例程，程序结束。
上述流程可以使用图10.16表示，该图是按照内存中代码存放顺序排列各个步骤的。
在Ubuntu中新建一个文件，命名为Example.S，内容就是上述代码，拷贝ram.ld、Makefile、Bin2Mem.exe到Example.S所在目录，但是笔者在实验中发现，由于OR1KSim模拟器本身的一些问题，导致模拟器不能完全正确地按照程序设计的流程执行，所以本章不使用OR1KSim模拟器执行示例程序，而只在ModelSim中仿真验证。为此，修改Makefile文件如下：
Makefile all: Example.or32 mem.data //去掉模拟器执行目标Example.trace
此时再打开终端，调整路径到上述文件所在目录，输入“make all”得到可以在ModelSim仿真中使用的存储器初始化文件mem.data，为了便于知道仿真波形中if_insn、id_insn、ex_insn等信号对应的指令，下面列出指令与其对应的二进制，分为三列，分别是指令地址、指令、指令对应的二进制。
############################## 第7步 ################
指令地址 指令 指令对应的二进制
0x0000000C: l.movhi r1,0x12 0x18200012
0x00000010: l.movhi r1,0x13 0x18200013
0x00000014: l.movhi r1,0x14 0x18200014
0x00000018: l.movhi r1,0x15 0x18200015
0x0000001C: l.ori r2,r0,0x8040 0xa8408040
0x00000020: l.movhi r1,0x9 0x18200009
0x00000024: l.mtspr r0,r2,0x0011 0xc0001011
0x00000028: l.movhi r1,0x16 0x18200016
0x0000002C: l.movhi r1,0x17 0x18200017
0x00000030: l.movhi r1,0x18 0x18200018
0x00000034: l.movhi r1,0x19 0x18200019
0x00000038: l.movhi r1,0x20 0x18200020
############################## 第1步 #################
指令地址 指令 指令对应的二进制
0x00000100: l.andi r0,r0,0 0xa4000000
0x00000104: l.extwz r1,r0 0xe020004d
0x00000108: l.extwz r2,r0 0xe040004d
0x0000010C: l.extwz r3,r0 0xe060004d
0x00000110: l.extwz r4,r0 0xe080004d
############################## 第2步 ##################
指令地址 指令 指令对应的二进制
0x00000114: l.ori r3,r0,0x1 0xa8600001
0x00000118: l.mtspr r0,r3,0x1200 0xc0401a00
0x0000011C: l.ori r3,r0,0x20C0 0xa86020c0
0x00000120: l.mtspr r0,r3,0x1280 0xc0401a80
0x00000124: l.ori r3,r0,0x0 0xa8600000
0x00000128: l.mtspr r0,r3,0x1203 0xc0401a03
0x0000012C: l.ori r3,r0,0x40C0 0xa86040c0
0x00000130: l.mtspr r0,r3,0x1283 0xc0401a83
############################## 第3步 #################
指令地址 指令 指令对应的二进制
0x00000134: l.mfspr r1,r0,0x0011 0xb4200011
0x00000138: l.ori r1,r1,0x40 0xa8210040
0x0000013C: l.ori r2,r2,0x0 0xa8420000
0x00000140: l.mtspr r0,r1,0x0011 0xc0000811
0x00000144: l.jr r2 0x44001000
0x00000148: l.movhi r1,0x1 0x18200001
0x0000014C: l.movhi r1,0x2 0x18200002
############################## 第8步 ##################
指令地址 指令 指令对应的二进制
.org 0x400
0x00000400: l.movhi r1,0x15 0x18200015
0x00000404: l.movhi r1,0x16 0x18200016
0x00000408: l.nop 0x0001 0x15000001
############################## 第5步 ##################
指令地址 指令 指令对应的二进制
.org 0xA00
0x00000A00: l.ori r3,r0,0x1 0xa8600001
0x00000A04: l.mtspr r0,r3,0x1203 0xc0401a03
0x00000A08: l.ori r3,r0,0x4040 0xa8604040
0x00000A0C: l.mtspr r0,r3,0x1283 0xc0401a83
0x00000A10: l.rfe 0x24000000
############################## 第4步 ##################
指令地址 指令 指令对应的二进制
.org 0x2000
0x00002000: l.movhi r1,0x3 0x18200003
0x00002004: l.movhi r1,0x4 0x18200004
0x00002008: l.movhi r1,0x5 0x18200005
0x0000200C: l.ori r2,r0,0x6000 0xa8406000
0x00002010: l.jr r2 0x44001000
0x00002014: l.movhi r1,0x6 0x18200006
0x00002018: l.movhi r1,0x7 0x18200007
0x0000201C: l.movhi r1,0x8 0x18200008
############################## 第6步 ###################
指令地址 指令 指令对应的二进制
.org 0x4000
0x00004000: l.ori r3,r0,0x0040 0xa8600040
0x00004004: l.mtspr r0,r3,0x1283 0xc0401a83
0x00004008: l.movhi r1,0x9 0x18200009
0x0000400C: l.movhi r1,0x10 0x18200010
0x00004010: l.movhi r1,0x11 0x18200011
############################## 结 束 ##################
ModelSim仿真波形如图10.17-10.21所示。从仿真结果可知程序是按照预期运行的。本书光盘的Chapter10目录下包括本章使用的ModelSim仿真工程，Chapter10/Code目录下包括示例程序源代码。
本章后续部分将借助该程序分析IMMU在各种使用情景下的工作过程。
Or1200中IMMU使用举例