跟我写ARM处理器之一：从写module arm开始

 
   在写之前，我要申明两点精神。这两点精神当然不是我创造的，我只是引用起来，让大家更能读下去，能相信我是能创造这个奇迹的，当然你也能创造这个奇迹的。第一点就是毛主席在军事上经常用的“分而歼之”，在政治上的意思就是“拉一派，打一派”。这一招在毛主席的斗争生涯中屡试不爽，成就了他成了伟人。这一点国外叫做“divide and conqur（没拼写对，懒得查了）"，也是很重要的一个方法。所以在面对庞然大物的时候，千万别害怕，一定要祭起这个”法宝“。第一步，先试着“divide"，一定让这个庞然大物小起来，然后再小下去，先条分缕析了，已经算成功了一大半了；第二步，从最小的开始，一点点的做，做对了，做好了。好到什么程度？好到这一小点绝不会打扰我们继续征服下一小点为至。那么征服这个庞然大物就只是时间问题了。包括我现在写这个文章，就得用这个精神，不然的话，千头万绪，从哪里说呢？从哪里说的清呢？不用怕，我既然用这个方法征服了ARM core，那么把它讲出来，讲明白，绝对比写arm core要简单，我相信我也能够完成的。
   
   但是我缺一点东西：那就是视角问题。因为我是站在我的立场上，我了解一切，我讲的时候，只是想当然的从我的角度认为大家该了解什么。但实际上，这中间的差距，就像梦想和现实的差距一样远。所以我需要大家有反馈，那一点忽略了，及时提醒我，让我始终站在大家的立场上，讲东西，而不是让我自说自话。如果我自说自话，效果非常差。所以请大家成全我，成全我就是成全自己。如果可能，请及时提出不明白的地方。让我把这今天的这一小节征服到不会打扰我征服下一小节，这是符合我上面的精神。
   
   有网友，可能会问，我费心费力的图什么？为什么要成全我？我图啥呢？反正我从小也算一个调皮的孩子，越是大人不让我干的事情，我还是愿意冒险试一下。当然总体来说，我小时候也算听话，属于只做”建设性“破坏的人，掏马蜂窝、堵烟筒这事不干。现在有一件特别有意义的事情，比如ARM公司的这些达人们，卖ARM7核卖的不亦乐乎。突然，我闯进来，说这东西根本不值钱，你得卖真货，不是特别有意思么？ARM公司越不爽，其实对于大家来说越是爽。因为大家总体的水平提高了，那么ARM公司就必须努力提高自己的水平，这样才能凸显他自己的价值。所以这件事情想起来就特别有意思，所以我就决定做这么一件”建设性“破坏的事情。所以请大家成全我，成全别人其实也是成就自己，请大家和我一起实践吧。所以，我如果是个软件工程师，我一定会写些病毒啥的，有意思呀！但放心我只会做“建设性”的，我做的病毒绝不会给大家带来太多麻烦，因为这不符合我的风格。但我现在既然是一个硬件工程师，就得想方法在硬件上做一些大事。做一些让让某些“大人”不爽的事。人在世上，也就图一乐嘛。呵呵，说多了。
   
   说了半天，还没有说第二点精神。其实第二点也就包括在第一点上了。不过还是有分别的。这第二点精神就是古人的”格物致知“的功夫。古代这些儒学大家们经常对着一花一叶格个半天啥的，就是这种精神的极致。"divide and conqur"只是斗争原则，但是怎么conqur呢？我觉得要用古人的”格物致知“，也就是耐得烦，从最细小的东西”格“起。我在后面对每一个net，每一个wire都描述出来，就是这样”格“的结果。cpu是一套复杂的系统，要做的好，就得用net, wire, register搭起来，听说intel就是这么干的。不过我是和它有分别的。因为我的这一套，还是把很多功夫交给综合器完成，我只是描述出来，让综合器明白而已。
   
   闲话休提，我希望大家看了我这一系列的文章后，能够把我的arm核写出来。当然你能发挥，我希望的是大家发挥，把这个核写的更好。因为我在做离经叛道的事情，哪能希望别人”墨守成规“把我的核当成标杆？我只是希望抛砖引玉。我要抛出一块砖，对arm这个皇帝的新衣说出：你根本没穿衣服！难道我知道这个了，不应该告诉大家么？所以尽情的糟蹋我的arm核吧，因为这样，它存在的意义更大。
   
   开始写了：第一句是： module arm ( 。这恐怕是verilog设计的经典开篇了。然后是什么？是定义接口。接口其实规定了大部分的功能，对于IP核的重用，交代清楚接口，跟下家说明清楚，别人才好用核。

    module arm (
                 clk,
                 rst,
                 cpu_en,
  clk是时钟，rst是异步复位信号。这个就不需要我多解释了。cpu_en是什么？cpu_en是同步使能信号。也就是说只有在cpu_en==1'b1时，整个核才工作。如果cpu_en==1'b0时，那么这个arm 核就不工作了。简单的说，就是在这个verilog文件里面的所有register都不做什么改变。这就好像有些童话里面说的“时间停止”，城堡里面的人都静住了，一切都停止了。那么寄存器就属于住在城堡里面的人，因为只要他们安静了，没有活物了，那些依靠人而存在的工具就不会动了。这个cpu_en对于整个模块也是重要的，比如你不想让它工作了，就可让cpu_en==1'b0，那么他就不工作。再让他工作，只要让"cpu_en==1'b1"就可。我在这个FPGA的项目中，就应用这个输入连到一个“开关”上。如果扳到"1'b1"，那系统开始工作；如果扳到"1'b0"，那它就停住，我就通过串口，把新的code下到它的rom中。

                cpu_restart,
                irq,
                fiq,
                rom_abort,
                ram_abort,
 这是ARM的五个中断源，具体的可以参考ARM的文档，我在这里只是简略带一遍。cpu_restart相当于一个同步复位，它只要是高电平，那么系统又重头开始了。irq，fiq是两个中断，只要它等于“1'b1”如果cpsr没关掉它，就得执行相应的中断。rom_abort, ram_abort是对应于rom,ram读错误，则启动一个中断来处理这些事情。

               rom_en,
               rom_addr,
               rom_data,
  这三个信号连接到ROM中，是指令的来源。取指令的方法是：rom_en==1'b1时，在下一个时钟，存放在rom_addr位置的code就出现在rom_data了。当然如果rom_en==1'b0，则rom_data保持原来的值不变。这是一个非常普通的ROM。取指令的主动权掌握在ARM核中。如果它要处理非常复杂的指令，一个周期根本处理不过来，那怎么办？那就不启动rom_en，只有当处理完了，有空闲了再启动rom_en，更新rom_data。

               ram_cen,
               ram_wen,
               ram_addr,
               ram_wdata,
               ram_rdata,
               ram_flag
              );
  前五个“ram_cen,ram_wen,ram_addr,ram_wdata,ram_rdata”是典型的单端口RAM的接口。功能是：在ram_cen==1'b1时，开始执行对RAM的操作，同时ram_wen==1'b1，执行写操作，把ram_wdata写入ram_addr对应的位置；如果ram_wen==1'b0，表示是读操作，就得在下一个时钟，把放在ram_addr的数据出现在ram_rdata。
  ram_flag是我新增加的。因为RAM里面出现了LDRB, STRH这样对字节、字的操作。为了操作简单，我给每一个字节对应了一个标志位：如果ram_flag[0]==1'b1表示第一个字节的操作有效；如果ram_flag[0]==1'b1，则读写操作对第一个字节无效。比如我执行STRB 0x4000_0000，则ram_flag==4'b0001, 表示只对地址0x4000_0000的低8bit进行写入。如果STRH 0x4000_0002，则ram_flag==4'b1100, 表示写入0x4000_0000的高 2 byte。
   所以我建议连上4块RAM，每块RAM的位宽都是8 bit。让ARM核对每byte的操作是独立的。那每一块的cen就是：ram_cen&ram_flag[3]; ram_cen&ram_flag[2]; ram_cen&ram_flag[1]; ram_cen&ram_flag[0]。

   好了，接下来，就是他们位宽的定义：
    input              clk;
    input              rst;
    input              cpu_en;

    input              cpu_restart;
    input              irq;
    input              fiq;
    input              rom_abort;
    input              ram_abort;

    output             rom_en;
    output    [31:0]   rom_addr;
    input     [31:0]   rom_data;

    output             ram_cen;
    output             ram_wen;
    output    [31:0]   ram_addr;
    output    [31:0]   ram_wdata;
    input     [31:0]   ram_rdata;
    output    [31:0]   ram_flag;

  好了，本篇到此结束，下一节再见！