阿里平头哥玄铁E804处理器用户手册

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第一章 概述
1.1 简介
E804 是面向控制领域的 32 位高能效嵌入式 CPU 核，具有低成本、低功耗、高代码密度等多种特点。E804 采用16/32 位混合编码指令系统，设计了精简高效的 3 级流水线。
E804 提供多种可配置功能，包括硬件浮点单元、片上高速缓存、DSP 加速单元、可信防护技术、片上紧耦合 IP 等，用户可根据应用需要进行配置。此外，E804 提供多总线接口，支持系统总线、指令总线、数据总线的灵活配置。E804 针对内存拷贝的应用做了特殊的优化，可以获得极致的内存拷贝性能。此外，E804 针对中断响应做了特殊的加速，中断响应延时仅需 13 个周期。

1.2 特点
E804 的体系结构和编程模型的主要特点为：
• 精简指令集处理器架构（RISC）；
• 32 位数据，16 位/32 位混合编码指令；
• 16 个 32 位通用寄存器；
• 3 级流水线；
• 按序发射、按序执行、按序退休；
• 可配置的多总线接口；
• 可配置的高速缓存；
• 可配置的硬件浮点单元；
• 可配置的 DSP 处理单元；
• 可配置的可信防护技术；
• 可配置的内存保护单元（0-8）；
• 可配置的硬件乘法器，支持 1 个周期快速产生乘法结果；
• 可配置的紧耦合 IP，包括矢量中断控制器与计时器；
• 支持多种处理器时钟与系统时钟比；
• 中断响应延时仅为 13 个处理器周期。
E804 微体系结构的主要特点为：
• 静态分支预测；
• 支持硬件除法；
• 支持连续内存访问；
• 支持 big endian 和 little endian。

第二章 微体系结构
2.1 结构框图

取指单元负责指令的访问与提取，每个时钟周期可取得32位数据，即每个周期可以提取1条32位指令或者2条16位指令。此外，取指单元对分支指令进行预测并对复杂指令进行分拆。
指令译码单元对指令进行译码，并访问通用寄存器以及完成指令的发射。
分支处理单元对分支预测指令进行检查并对寄存器跳转指令进行处理。整形单元负责 ALU 指令的执行。控制寄存器单元主对控制寄存器相关的指令（MTCR/MFCR）进行处理。分支指令、ALU 指令与控制寄存器指令的执行延时均为 1 个周期。

第三章 编程模型
3.1 工作模式及寄存器视图

E804 定义了两种处理器工作模式：普通用户模式和超级用户模式。两种工作模式对应不同的操作权限，主要体现在以下几个方面：
1. 对寄存器的访问；
2. 特权指令的使用；
3. 对内存空间的访问。
程序根据其权限来访问寄存器。普通用户程序只允许访问那些指定给普通用户模式的寄存器；工作在超级用户模式下的系统软件则可以访问所有的寄存器，并使用控制寄存器进行超级用户操作。通过对寄存器访问权限的管理，可以避免用户程序接触特权信息，操作系统则通过协调与普通用户程序的行为来为普通用户程序提供管理和服务。
大多数指令在两种模式下都能执行，但是一些对系统产生重大影响的特权指令只能工作在超级用户模式下。特权指令包括 STOP，DOZE，WAIT，MFCR，MTCR，PSRSET，PSRCLR，RTE。
E804 设计了内存保护单元。操作系统可通过对内存保护单元的设置对内存的访问进行管理与控制。程序根据其权限来访问内存空间，普通用户程序只允许访问那些对普通用户模式开放的内存空间。
处理器的工作模式由处理器状态寄存器（PSR）的 S 位控制。当 PSR 的 S 位被置位时，处理器工作在超级用户模式，S 位被清零 0 时，处理器工作在普通用户模式。在普通用户模式下，处理器使用普通用户编程模型。在异常处理时，处理器把模式从普通用户模式切换到超级用户模式，并把当前 PSR 的值存放在异常保留处理器状态寄存器（EPSR）中，然后在 PSR 中设置 S 位，强制处理器进入超级用户模式。在异常处理完毕后，为返回到以前的工作模式，系统函数执行 RTE(从异常返回)，从异常发生的地方重新取指执行。作为系统调用指令，TRAP#n 指令为普通用户程序提供了访问操作系统服务程序的可控制接口。普通用户程序可通过 TRAP#n 产生系统调用异常，并强制处理器进入超级用户模式。
普通用户模式可以操作的寄存器包括 16 个 32 位的通用寄存器、32 位程序计数器（PC）、条件/进位位（C）以及其它寄存器（由配置决定）。其中，C 位位于 PSR 的最低位，是 PSR 中唯一能被在普通用户模式下被访问的数据位。除了普通用户模式可以访问的寄存器外，超级用户模式还包括含有处理器控制和状态信息的 PSR 寄存器，一套用来在异常发生时保存 PSR、PC 的异常影子寄存器 EPSR、EPC，一个保存中断向量表的基地址的寄存器 VBR 以及其他相关控制寄存器（由配置决定）。

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2021-12-24 17:34 上传 玄铁E804用户手册_v04.pdf

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