自制处理器OpenMIPS移植ucos-II过程之1——OpenMIPS介绍

　　看到技术大神 《基于Zynq的异构计算加速系统》链接：http://www.openhw.org/project-16 用片上NOC做得一个系统，用到OpenMIPS，所以准备自己先制作一个简单的处理器，这个处理器是完全开源的，第一部分就是OpenMIPS介绍，懒得打字了，看看大神的介绍吧。

　　计划分以下几部分：

OpenMIPS介绍
OpenMISP实践版及SOPC搭建
在DE2上验证OpenMIPS
ucos-II文件目录建立
移植ucos-II时需要修改的文件
创建Makefile
在ＺＹＮＱ上验证OpenMIPS+ucos-II

　　这是第一部分：OpenMIPS介绍

1 OpenMIPS项目简介

　　OpenMIPS开始于2013年8月，目的是开发一款32位、兼容MIPS32指令集的开源软核处理器，便于老师教学、学生体会理解计算机体系结构课程的相关知识，同时也可以做实际用途。OpenMIPS将坚持自由软件的理念，保持开源的形式，同时采用商业友好的LGPL授权。并且分为两个版本：教学版、实践版，每个版本都使用VHDL、Verilog HDL两种语言编写，这样实际是有四个版本，分别命名为（以1.0版为例）

OpenMIPS_VHDL_study_v1.0            　　　教学版（VHDL）1.0
OpenMIPS_Verilog_study_v1.0            　教学版（Verilog）1.0
OpenMIPS_VHDL_practice_v1.0         　　　  实践版（VDHL）1.0
OpenMIPS_Verilog_practice_v1.0         　  实践版（Verilog）1.0

　　 教学版的主要设想是尽量简单，比如：在一个时钟周期内可以取到指令，完成存储、加载数据，这样处理器的运行情况（比如：流水线的运行）就比较理想化，与教科书相似，代码也很清晰简单，便于使用其进行教学、学术研究和讨论，也有助于各位同学理解课堂上讲授的知识。

　　 这里有教学版的视频，只不过清晰度不敢恭维！教学版视频

　　

　　实践版的主要设想是使OpenMIPS成为一个实际可用的处理器，能够下载到FPGA上，运行实际有用的程序，为此，添加了Wishbone总线接口，使其可以挂接在wb_conmax互联矩阵上，这样就能方便的利用OpenCores上提供的SDRAM、Flash、GPIO、UART、LCD等模块控制器，组成一个SOPC，完成特定功能，进一步还可为其移植操作系统。

　　同时又一个实践版的讲解视频，讲解视频可以在百度网盘下载：http://pan.baidu.com/s/1jCM78

　　OpenMIPS是采用具有哈佛结构的32位标量处理器，兼容MIPS32体系结构，这样可以使用现有的MIPS编译环境。具有以下特点：

五级整数流水线，分别是：取指、译码、执行、访存、回写
哈佛结构，分开的指令、数据接口
32个32位整数寄存器
大端模式
向量化异常处理，支持精确异常处理
8个外部中断
32bit数据、地址总线宽度
单周期乘法
支持延迟转移
兼容MIPS32体系结构，支持MIPS32指令集中的所有整数指令
大多数指令可以在一个时钟周期内完成
可综合
兼容wishbone b2的指令、数据总线接口（只有实践版提供）
LGPL开源
VHDL、Verilog HDL两种语言版本

　　在我的移植ucos-II的过程中使用的是OpenMIPS实践版（VHDL），小伙伴们不吝赐教啊。

　　让我们为了OpenMIPS的茁长成长共同努力！

2 OpenMIPS支持的指令

　　OpenMIPS支持MIPS32指令集中的如下指令（包含全部整数指令），各指令的具体含义可以参考《MIPS32指令集》（在后面的博文中会给出OpenMIPS的下载地址，其中就有该文件）。

逻辑操作指令AND、ANDI、LUI、NOR、OR、ORI、XOR、XORI
移位操作指令SLL、SLLV、SRA、SRAV、SRL、SRLV
算术操作指令ADD、ADDI、ADDIU、ADDU、CLO、CLZ、SLT、SLTI、SLTIU、SLTU、SUB、SUBU、MADD、MADDU、MSUB、MSUBU、MUL、MULT、MULTU、DIV、DIVU
移动操作指令MFHI、MFLO、MOVN、MOVZ、MTHI、MTLO
控制指令NOP、SSNOP
跳转指令J、JAL、JALR、JR
分支指令B、BAL、BEQ、BGEZ、BGEZAL、BGTZ、BLEZ、BLTZ、BLTZAL、BNE
加载类指令LB、LBU、LH、LHU、LL、LW、LWL、LWR
存储类指令SB、SC、SH、SW、SWL、SWR
协处理器访问指令MFC0、MTC0
自陷指令SYSCALL、TEQ、TEQI、TGE、TGEI、TGEIU、TGEU、TLT、TLTI、TLTIU、TLTU、TNE、TNEI
异常返回指令ERET

3 OpenMIPS的流水线

　　OpenMIPS具有五级流水线（这可是经典的五级流水线哦，任何一本计算机体系结构的书籍都会介绍），在各个阶段完成的工作如下：

取指阶段：从指令存储器取得指令，修改pc的值
译码阶段：指令译码，根据译码结果取得指令执行需要的寄存器的值、立即数的值，并判断是否是多周期指令
执行阶段：判断并解决数据相关问题，执行指令操作，判断是否转移
访存阶段：如果是加载存储指令，那么读写数据存储器
回写阶段：写目的寄存器。判断是否有异常发生

4 OpenMIPS中的寄存器

　　OpenMIPS支持32个32位整数寄存器，还支持协处理器CP0中的如下寄存器：COUNT、COMPARE、STATUS、CAUSE、EPC、CONFIG、PrId、BadVAddr、ErrorEPC。这些寄存器的含义可以参考文档《MIPS32_3_Privileged_Resource》（在后面的博文中会给出OpenMIPS的下载地址，其中就有该文件），或者《MIPS体系结构与编程》、《MIPS体系结构透视（See MIPS Run）》等书籍。

5 OpenMIPS的异常模型

　　OpenMIPS支持精确异常模型，当异常发生时，有关处理器的状态信息被存储到协处理器CP0的部分寄存器中，然后OpenMIPS处理器转移到事先定义好的一个地址，在那个地址中往往存储有异常处理例程，在其中进行异常处理，这个地址称为异常处理例程入口地址。

　　具体来说，当异常发生时，OpenMIPS会进行如下操作：

（1）设置EPC寄存器：如果当前指令不在延迟槽中，那么当前指令（或下一条指令）地址被存储到EPC寄存器中，如果当前指令在延迟槽中，那么当前指令的上一条转移指令地址被存储到EPC寄存器中。

（2）设置CASUE寄存器：在其ExeCode字段存储异常原因代码，具体含义可以参考doc目录下的文档《MIPS32_3_Privileged_Resource》（在后面的博文中会给出OpenMIPS的下载地址，其中就有该文件），或者《MIPS体系结构与编程》、《MIPS体系结构透视》等书籍。

（3）设置STATUS寄存器：设置其EXL位为1，表示处理器处于异常处理状态。

（4）转移到相应的异常处理例程继续执行。

　　当异常处理结束后，需要使用指令eret从异常返回，eret指令会将EPC的值恢复到PC，同时设置STATUS 的EXL位为0，处理器回到异常发生前的状态继续执行。

　　 OpenMIPS支持的异常类型及对应处理例程的入口地址如下表所示，其中无效指令、系统调用、自陷的处理例程入口地址都是0x40，用户也可以自己修改，使得这三个异常的处理例程入口地址不一样。异常的优先级也是可以调整的，小伙伴们只要理解了OpenMIPS的代码，这些都是可以灵活修改的。