跟我寫ARM處理器之一：從寫module arm開始

在寫之前，我要申明兩點精神。這兩點精神當(dāng)然不是我創(chuàng)造的，我只是引用起來，讓大家更能讀下去，能相信我是能創(chuàng)造這個奇跡的，當(dāng)然你也能創(chuàng)造這個奇跡的。第一點就是毛主席在軍事上經(jīng)常用的“分而殲之”，在政治上的意思就是“拉一派，打一派”。這一招在毛主席的斗爭生涯中屢試不爽，成就了他成了偉人。這一點國外叫做“divide and conqur（沒拼寫對，懶得查了）"，也是很重要的一個方法。所以在面對龐然大物的時候，千萬別害怕，一定要祭起這個”法寶“。第一步，先試著“divide"，一定讓這個龐然大物小起來，然后再小下去，先條分縷析了，已經(jīng)算成功了一大半了；第二步，從最小的開始，一點點的做，做對了，做好了。好到什么程度？好到這一小點絕不會打擾我們繼續(xù)征服下一小點為至。那么征服這個龐然大物就只是時間問題了。包括我現(xiàn)在寫這個文章，就得用這個精神，不然的話，千頭萬緒，從哪里說呢？從哪里說的清呢？不用怕，我既然用這個方法征服了ARM core，那么把它講出來，講明白，絕對比寫arm core要簡單，我相信我也能夠完成的。

但是我缺一點東西：那就是視角問題。因為我是站在我的立場上，我了解一切，我講的時候，只是想當(dāng)然的從我的角度認(rèn)為大家該了解什么。但實際上，這中間的差距，就像夢想和現(xiàn)實的差距一樣遠(yuǎn)。所以我需要大家有反饋，那一點忽略了，及時提醒我，讓我始終站在大家的立場上，講東西，而不是讓我自說自話。如果我自說自話，效果非常差。所以請大家成全我，成全我就是成全自己。如果可能，請及時提出不明白的地方。讓我把這今天的這一小節(jié)征服到不會打擾我征服下一小節(jié)，這是符合我上面的精神。

有網(wǎng)友，可能會問，我費心費力的圖什么？為什么要成全我？我圖啥呢？反正我從小也算一個調(diào)皮的孩子，越是大人不讓我干的事情，我還是愿意冒險試一下。當(dāng)然總體來說，我小時候也算聽話，屬于只做”建設(shè)性“破壞的人，掏馬蜂窩、堵煙筒這事不干?，F(xiàn)在有一件特別有意義的事情，比如ARM公司的這些達人們，賣ARM7核賣的不亦樂乎。突然，我闖進來，說這東西根本不值錢，你得賣真貨，不是特別有意思么？ARM公司越不爽，其實對于大家來說越是爽。因為大家總體的水平提高了，那么ARM公司就必須努力提高自己的水平，這樣才能凸顯他自己的價值。所以這件事情想起來就特別有意思，所以我就決定做這么一件”建設(shè)性“破壞的事情。所以請大家成全我，成全別人其實也是成就自己，請大家和我一起實踐吧。所以，我如果是個軟件工程師，我一定會寫些病毒啥的，有意思呀！但放心我只會做“建設(shè)性”的，我做的病毒絕不會給大家?guī)硖嗦闊?，因為這不符合我的風(fēng)格。但我現(xiàn)在既然是一個硬件工程師，就得想方法在硬件上做一些大事。做一些讓讓某些“大人”不爽的事。人在世上，也就圖一樂嘛。呵呵，說多了。

說了半天，還沒有說第二點精神。其實第二點也就包括在第一點上了。不過還是有分別的。這第二點精神就是古人的”格物致知“的功夫。古代這些儒學(xué)大家們經(jīng)常對著一花一葉格個半天啥的，就是這種精神的極致。"divide and conqur"只是斗爭原則，但是怎么conqur呢？我覺得要用古人的”格物致知“，也就是耐得煩，從最細(xì)小的東西”格“起。我在后面對每一個net，每一個wire都描述出來，就是這樣”格“的結(jié)果。cpu是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，要做的好，就得用net, wire, register搭起來，聽說intel就是這么干的。不過我是和它有分別的。因為我的這一套，還是把很多功夫交給綜合器完成，我只是描述出來，讓綜合器明白而已。

閑話休提，我希望大家看了我這一系列的文章后，能夠把我的arm核寫出來。當(dāng)然你能發(fā)揮，我希望的是大家發(fā)揮，把這個核寫的更好。因為我在做離經(jīng)叛道的事情，哪能希望別人”墨守成規(guī)“把我的核當(dāng)成標(biāo)桿？我只是希望拋磚引玉。我要拋出一塊磚，對arm這個皇帝的新衣說出：你根本沒穿衣服！難道我知道這個了，不應(yīng)該告訴大家么？所以盡情的糟蹋我的arm核吧，因為這樣，它存在的意義更大。

開始寫了：第一句是： module arm ( 。這恐怕是verilog設(shè)計的經(jīng)典開篇了。然后是什么？是定義接口。接口其實規(guī)定了大部分的功能，對于IP核的重用，交代清楚接口，跟下家說明清楚，別人才好用核。

module arm (
clk,
rst,
cpu_en,
clk是時鐘，rst是異步復(fù)位信號。這個就不需要我多解釋了。cpu_en是什么？cpu_en是同步使能信號。也就是說只有在cpu_en==1b1時，整個核才工作。如果cpu_en==1b0時，那么這個arm 核就不工作了。簡單的說，就是在這個verilog文件里面的所有register都不做什么改變。這就好像有些童話里面說的“時間停止”，城堡里面的人都靜住了，一切都停止了。那么寄存器就屬于住在城堡里面的人，因為只要他們安靜了，沒有活物了，那些依靠人而存在的工具就不會動了。這個cpu_en對于整個模塊也是重要的，比如你不想讓它工作了，就可讓cpu_en==1b0，那么他就不工作。再讓他工作，只要讓"cpu_en==1b1"就可。我在這個FPGA的項目中，就應(yīng)用這個輸入連到一個“開關(guān)”上。如果扳到"1b1"，那系統(tǒng)開始工作；如果扳到"1b0"，那它就停住，我就通過串口，把新的code下到它的rom中。

cpu_restart,
irq,
fiq,
rom_abort,
ram_abort,
這是ARM的五個中斷源，具體的可以參考ARM的文檔，我在這里只是簡略帶一遍。cpu_restart相當(dāng)于一個同步復(fù)位，它只要是高電平，那么系統(tǒng)又重頭開始了。irq，fiq是兩個中斷，只要它等于“1b1”如果cpsr沒關(guān)掉它，就得執(zhí)行相應(yīng)的中斷。rom_abort, ram_abort是對應(yīng)于rom,ram讀錯誤，則啟動一個中斷來處理這些事情。

rom_en,
rom_addr,
rom_data,
這三個信號連接到ROM中，是指令的來源。取指令的方法是：rom_en==1b1時，在下一個時鐘，存放在rom_addr位置的code就出現(xiàn)在rom_data了。當(dāng)然如果rom_en==1b0，則rom_data保持原來的值不變。這是一個非常普通的ROM。取指令的主動權(quán)掌握在ARM核中。如果它要處理非常復(fù)雜的指令，一個周期根本處理不過來，那怎么辦？那就不啟動rom_en，只有當(dāng)處理完了，有空閑了再啟動rom_en，更新rom_data。

ram_cen,
ram_wen,
ram_addr,
ram_wdata,
ram_rdata,
ram_flag
);
前五個“ram_cen,ram_wen,ram_addr,ram_wdata,ram_rdata”是典型的單端口RAM的接口。功能是：在ram_cen==1b1時，開始執(zhí)行對RAM的操作，同時ram_wen==1b1，執(zhí)行寫操作，把ram_wdata寫入ram_addr對應(yīng)的位置；如果ram_wen==1b0，表示是讀操作，就得在下一個時鐘，把放在ram_addr的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在ram_rdata。
ram_flag是我新增加的。因為RAM里面出現(xiàn)了LDRB, STRH這樣對字節(jié)、字的操作。為了操作簡單，我給每一個字節(jié)對應(yīng)了一個標(biāo)志位：如果ram_flag[0]==1b1表示第一個字節(jié)的操作有效；如果ram_flag[0]==1b1，則讀寫操作對第一個字節(jié)無效。比如我執(zhí)行STRB 0x4000_0000，則ram_flag==4b0001, 表示只對地址0x4000_0000的低8bit進行寫入。如果STRH 0x4000_0002，則ram_flag==4b1100, 表示寫入0x4000_0000的高 2 byte。
所以我建議連上4塊RAM，每塊RAM的位寬都是8 bit。讓ARM核對每byte的操作是獨立的。那每一塊的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，接下來，就是他們位寬的定義：
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，本篇到此結(jié)束，下一節(jié)再見！