NiosII CPU的结构与编程模型

NiosII CPU的结构与编程模型
NiosII CPU属于典型的RISC CPU，其特点是：结构简洁、指令集简练、指令等长、具有大量的通用寄存器。下图为NiosII的结构框图。


NiosII CPU由若干基本模块和一系列可选模块构成。基本模块包括：ALU、程序控制器、地址发生器、中断控制器、寄存器组等；可选模块有：Jtag调试器、用户指令逻辑、指令Cache、数据Cache等。
NiosII 共有39个工作寄存器，包括32个通用寄存器，5个控制器存器，1个CPUID寄存器、1个PC指针寄存器，每个寄存器都是32位的寄存器，都可以做32位的操作。


NiosII的32个通用寄存器，除R0外都可做为累加器进行各种算术、逻辑运算。R0 为0值寄存器，对其进行读操作返回值是0，写操作对其没有影响，这一寄存器在指令集中有特殊的应用。R24是中断处理程序专用寄存器，它是给中断处理程序专用的,虽然在用户程序中许访问，但不要用来保存数据，因为其中数据有可能被中断处理程序覆盖掉。同样，R25是调试代理专用寄存器，也不要在用户程序中使用。R29是PC指针的中断堆栈寄存器，当有中断发生时，这一寄存器用来保留一个返回地址，以便从中断处理程序返回到被中断的程序。R30是PC指针的断点堆栈寄存器，用于系统调试。当程序运行过程中遇到断点，这一寄存器中保留一个返回地址，以便从调试代理程序返回。R31是PC指针的调用堆栈，用于子程序调用。执行子程序调用指令时，这一寄存器中保留返回地址，以便从子程序返回。R26、R27、R28在C开发系统中付予了一些特殊的应用，其中R27被作堆栈指针。


NiosII 有5个控制寄存器和一个CPUID寄存器。Ctl0是程序状态字，目前只有BIT0、BIT1两位是有效的，高30位保留。BIT0是全局中断控制位，用于中断的全局管理，1为允许，0为禁止。BIT1是工作模式控制位。当这一位为1时，系统工作于用户模式，当其为0时，系统工作于管理模式。Ctl1又叫estatus寄存器，是Ctl0的一个堆栈寄存器。当系统发生中断时，其中保留一个Ctl0的副本，以便从中断处理程序返回时恢复现场。Ctl2也叫bstatus，是Ctl0的另一堆栈寄存器。当有断点发生时，该寄存器中保留Ctl0的副本，用于从调方式代理返回时恢复现场。Ctl3是中断控制寄存器，用于控制外部中断申请的输入。每一位对应一个外部中断源，1表示允许，0表示禁止，共计32位。Ctl4是中断请求寄存器，代表外部中断源和中断请求，1为有中断请求，0为没有中断请求，共计32位。Ctl5也称为CPUID，是CPU的一个标识，在多CPU系统作为CPU的代号。
NiosII CPU 有三种工作模式：
1、 Supervisor Mode
2、 User Mode
3、 Debug Mode

 
Supervisor Mode 也叫特权模式。在这种模式下，所有的系统资源都是可以访问的，不受任何的限制。一般来说，这种工作模式是给操作系统内核准备的。在有操作系统的应用中，往往是操作系的内核工作在特权模式，而应用程序工作在用户模式。对于比较简单的应用来说，也可以直接让应用程序工作在特权模式。在特权模式下，通用寄器组中的R25和R30是允许访问的，然而在实际应用中不要使用这两个寄存器，因为这两个寄存器是系统留给Debug模式专用的，其中的数据有可能会被调试代理程序覆盖掉。同样，Ctl2也是不能使用的。
User Mode 是用户模式。这种模式相当于特权模式的一个子集，在这种模式下某些资源的访问上是受限的，如果试图访问这些资源，将会产生一个中断。在用户模式下，CPU的控制寄存器是不允许访问的，另外，通用寄存器组中的R24、R25、R29、R30 虽然是可以访问，但其中的数据有可能被特权模式或调试模式所修改，因此是不能用的。
Debug Mode 是给调试器准备的工作模式，一般的系统程序或应用程序无法在这一模式下运行。系统在遇到断点指令或接到来自Jtag Debug Module的打断信号时会进入这一工作模式。在这种工作模式下，所有的系统资源都是可以访问的。
NiosII的总线结构为哈佛结构，但指令空间与数据空间统一编址，总计4GB的地址空间， 总线宽度为32bit，信号及时序遵循Avalon总线规范。
NiosII支持32个外部中断请求。这32个外部中断请求分为32个优先级，请求号越小，优先级越高。外部中断请求由两个专用寄存器管理，Ctl3为控寄存器，Ctl4为请求寄存器。NiosII的所有中断都从同一地址进入中断处理程序。在中断处理程序中，用软件的方式区分中断源，并用软件的方式维护一个中断向量表，所以，在这一点上NiosII的处理效率不如复杂指令集CPU，对于实时性要求特高的处理，应充份发挥硬件逻辑的优势。
在NiosII的架构中，有一个叫做Custom Instruction Logic的可选部件，这一部件是用来对NiosII的ALU进行功能补充的。NiosII向用户提供了一个开放式的ALU，用户可以根据具体的需求，对ALU进行补充，从而实现自定义的指令。利用这一特性，可以大大提高整个系的处理效率，这也是使用NiosII的精华所在。
以上对NiosII的基本结构做了一个简要的介绍，部分结构会在专项介绍中做详细的说明。