原创 Avalon_Microsequencer结构浅析

    1. Avalon_Microsequencer（以下简称为Avalon_us）没有寄存器堆（Register File），仅有一个32位的数据寄存器（DATA_REG[31：0]）； riple

    2. Avalon_us的指令集中包含Load和Store指令，可以和Avalon-MM总线上的设备交换数据。 riple

    3. 由于没有寄存器堆，也就省去了访存（MEM）和写回（WB）这两个流水阶段； riple

    4. 由于指令集很小（共有15条指令），指令译码（ID）电路简单，可以和执行阶段（EXE）合并为一级，不需要单独占用一个流水阶段； riple

    5. 这样一来，Avalon_us共包含两级流水线：取指（IF）、译码兼执行（EXE）（图一）。 riple

    6. 为了解决跳转指令带来的控制相关问题，需要编译器采用NOP指令填充分支延迟槽。也就是在跳转指令后面添加一条NOP指令填充流水线。其实，如果手工编写指令，也可以在分支指令后面添加一条有用的指令（图二）。 riple

    7. 由于两级流水的存在，对数据寄存器操作的指令只需要一个时钟周期；对Avalon-MM总线访问的指令会引入一个到多个周期的额外延迟（图三）。 riple

图一、复位后流水线操作 riple

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图二、有跳转指令的流水线操作和分支延迟槽指令填充 riple

图三、Avalon-MM总线同步操作对流水线操作的影响 riple

    8. Avalon_us的数据指针（INST_PTR）根据指令存储器的容量动态扩充，最多16位，最大可以访问64K的指令地址范围。 riple

    9. Avalon_us以32位数据和地址宽度访问Avalon-MM总线，支持Dynamic Bus Sizing地址对齐方式。 riple

    10. Avalon_us指令字长36位，高4位是操作码（OPCODE[3：0]），低32位是操作数。 riple

    11. Avalon_us仅有一个特殊状态位（COND_BIT），作为条件跳转指令的判断条件。 riple

    12. Avalon_us的IF流水阶段是利用altsyncram的输入端口寄存器和输出端口寄存器配合时钟使能实现的。在altsyncram Megafunction中，输出端口寄存器是可选的。加入这一寄存器会引入ram输出时序一个时钟周期的延时，但是可以给ram的输出逻辑提供更大的时序余量，提高系统的Fmax。从这一点看，IF和EXE两级流水线的逻辑分配是均衡的。 riple

    背景资料：Avalon_uS 简介，Avalon_uS使用手册，

    Avalon MicroSequencer Reference Design riple

    Avalon_uS调试体会 riple