MicroBlaze IP核中的外设接口和缓冲器接口介绍

MicroBlaze IP核是Xilinx公司提供的一个嵌入式软核处理器，广泛应用于FPGA设计中。在MicroBlaze IP核中，外设接口和缓冲器接口是处理器与外部设备和内存交互的关键部分。

1 外设接口

MicroBlaze处理器中的AXI4 内存映射外设接口AXI4是一种在Xilinx FPGA设计中常见的通信协议，用于在处理器和内存或其他外设之间传输数据。

指令外设接口（M_AXI_IP）：MicroBlaze提供了多种AXI4内存映射外设接口，这些接口可以作为32位或64位的主设备（master）来工作。每个接口在任何时候都只有一个未完成的事务（transaction），并且所有的事务都是按顺序完成的。指令外设接口是一个32位的主设备，仅执行单字（single word）的读访问。它总是被设置为使用AXI4-Lite的子集。

数据外设接口（M_AXI_DP）：是一个32位或64位的主设备，执行单次的访问。默认情况下，它被设置为使用AXI4-Lite的子集，但当启用LWX和SWX指令的独占访问时，它可以被设置为使用AXI4。半字（halfword）和字节（byte）的写操作是通过设置适当的字节选通（strobes）来实现的。每个写交易都会等待M_AXI_DP_BVALID信号，以确保存储指令在完成之前数据已经被正确写入。

当启用MMU物理地址扩展（PAE）时，指令外设接口（M_AXI_IP）地址宽度可以在32-64位的范围内，这取决于C_ADDR_SIZE的参数值。

数据外设接口（M_AXI_DP）的地址宽度可以在32-64位的范围内，这取决于C_ ADDR_SIZE的参数值。

2 缓冲器接口

AXI4内存映射缓存接口可以根据缓存行长度和数据宽度参数实现32位、128位、256位或512位的主设备（masters）。而AXI一致性扩展（ACE）接口实现为32位主设备（masters）。

ACE是AXI协议的一个扩展，它提供了一套机制，使得多个处理器IP核和其他主设备能够以一种高效且一致的方式访问共享内存。ACE通过定义一组事务类型、信号和协议来管理多个主控之间的缓存一致性和内存访问。它支持五种状态的缓存模型，用于管理缓存行状态并确保数据一致性。

使用32位主机时，指令缓存接口

当使用32位主机时，指令缓存接口（M_AXI_IC 或 M_ACE_IC）可以执行突发读访问（burst read accesses），这意味着在单个请求中可以连续读取多个字（word）。可能的突发读访问长度包括4字、8字或16字。突发读访问的长度（即每次连续读取的字数）取决于缓存行（cache line）的长度。缓存行是缓存中存储数据的基本单位。

当使用更宽的主机接口（如128位、256位或512位）时，指令缓存接口只能执行单次读访问（single read accesses），即每次请求只读取一个数据块（这个数据块的大小取决于主机的位宽）。

当使用32位主机时，接口可以拥有多个未决事务。默认情况下，可能支持高达2个未决事务。当启用流缓存（stream cache）时，未决事务的数量可以增加。流缓存允许提前请求两个缓存行，这意味着在某些情况下，可以同时有5个未决事务。然而，如果设置了未决读操作的数量，它必须是一个2的幂次方。因此，在可以拥有5个未决事务的情况下，通常会将其设置为8个，因为8是大于5的最小2的幂次方。对于128位、256位或512位更宽的主机接口，指令缓存接口通常只支持单个未决事务。

参数 C_ICACHE_ALWAYS_USED 控制了如何访问内存位置，特别是与指令缓存（Instruction Cache）相关的内存范围。

当 C_ICACHE_ALWAYS_USED 为 1 时，缓存的内存范围总是通过 AXI4 或 ACE 缓存接口进行访问。

这意味着无论缓存是否由软件启用或禁用，访问缓存内存范围时都会使用缓存接口。

当 C_ICACHE_ALWAYS_USED 为 0 时：缓存的内存范围将通过 AXI4 外设接口进行访问。MSR（Machine Status Register）中的 ICE 位用于控制指令缓存的启用/禁用。当 ICE=0 时，指令缓存被禁用。

使用32位主机时，数据缓存接口

当使用32位主机时，数据缓存接口可以执行单个字（word）的访问，也可以执行突发访问（burst accesses），具体取决于缓存行的长度。突发访问的长度可以是4个字、8个字或16个字。

突发写访问（burst write accesses）仅在使用AXI4的写回缓存时执行。写回缓存是一种缓存策略，其中修改的数据首先被写入缓存，并在之后的某个时间点写回到主存中。如果没有使用写回缓存或使用了不同的缓存策略，则可能只执行单个字的写访问。

对于这些更宽的主机接口，数据缓存接口只执行单个访问，无论是读还是写。

未决事务是指在某个时间点内，接口已经开始但尚未完成的事务数量。在数据缓存接口中，这通常指的是正在等待响应的读写请求。

读取时：最多可以有2个未决事务。这意味着在读取操作之间，接口可以并行处理最多两个读取请求，而不会阻塞其他请求。

写入时：最多可以有32个未决事务。这意味着在写入操作之间，接口可以并行处理多达32个写入请求，而不会阻塞其他请求。

MicroBlaze是一个软处理器核，它必须维护一个有序的内存模型。这意味着在处理器看来，内存的读写操作必须按照程序中的顺序执行，即使底层硬件（如AXI4或ACE接口）可能使用不同的顺序来处理这些操作。AXI4和ACE接口为读写操作提供了单独的通道，即读操作和写操作可以在不同的通道上并行执行，而不会相互干扰。然而，这些接口本身并不保证读写操作的顺序性。允许有多达32个未决写事务可以显著提高性能。这是因为当处理器有多个写入请求时，它可以并行地发送这些请求，而不需要等待每个请求都完成后再发送下一个。这减少了处理器的等待时间，从而提高了整体的处理速度。

字、半字和字节的写入是通过设置适当的字节选通来执行的。

可以为LWX和SWX指令启用Exclusive访问。

C_DCACHE_ALWAYS_USED 是一个配置参数，通常用于描述硬件（如FPGA中的处理器或SoC）的数据缓存（Data Cache）行为。这个参数决定了数据缓存是否总是被用于访问特定的内存区域。

当 C_DCACHE_ALWAYS_USED 为 1 时：数据缓存总是被用于访问缓存内存范围。这意味着，无论软件是否禁用了缓存（例如，通过修改某个特定的内存状态寄存器MSR的DCE位），数据缓存都会被用来访问这部分内存。在这种情况下，内存访问通常通过AXI4或ACE缓存接口进行，因为这些接口支持缓存一致性和缓存管理功能。

当 C_DCACHE_ALWAYS_USED 为 0 时：数据缓存的使用是可选的，取决于软件配置和缓存状态。如果软件禁用了数据缓存（例如，通过设置MSR[DCE]=0），那么对缓存内存范围的访问将通过AXI4的外围接口（Peripheral Interface）进行，而不是通过缓存接口。使用外围接口意味着这些内存访问不会受到数据缓存的影响，即它们将绕过缓存直接访问物理内存。这可以用于确保某些内存操作的一致性，例如非缓存写或绕过缓存的读取。