Coldfire V2 core

• Coldfire是m68k的改进型,1994年开始
• Coldfire内核基于变长精简指令集(RISC)体系结构，整合和CISC和RISC的优点
• 变长RISC的优点：更高的编码效率与更低的内存占用率
• Coldfire V2具有两个独立的流水线，两者之间由指令缓存器去耦
• 取指令流水线(IFP)负责预取指令，是两级的流水线
• 操作数执行流水线(OEP)负责执行指令，也是两级流水线
• 指令缓存器(instruction buffer)是一个FIFO，起联系上述两个流水线的作用
• Up to 159Dhrystone2.1 MIPS@166MHZ

Coldfire V2流水线

• 指令地址生成器：计算下一个预取指令地址，并送到地址总线准备访问指令存储器
• 取指令：通过数据总线将存储器中的预取指指令写入本级FIFO指令缓存器的空闲区。
• 指令缓存器：是两级FIFO，存放预取指令，并将其发送给OEP
• 译码级：对指令进行译码，并取操作数
• 地址生成执行级：执行实际指令的操作。当执行执行完成后，译码级将从指令缓存器中取下条指令，如果指令缓存器空，则直接从IFP取下条指令

Coldfire V2执行模式

• 两个模式：用户模式和管理员模式（内核模式）
• 用户模式：提供大多数应用程序的执行环境，但某些特权指令和资源不能访问
• 内核模式：为操作系统等系统软件提供执行环境，可以执行和访问所有的指令和资源

Coldfire V2的寄存器

用户模式

• 16个32bits通用寄存器（D0~D7,A0~A7)
• 1个32bits程序计数器(PC)
• 1个8bits条件码寄存器(CCR)
• 4个48bits的EMAC寄存器(不是所有的型号都有）

内核模式

• 所有用户模式的寄存器(除去CCR)
• 16bits的状态寄存器(SR),其低8bits就是CCR
• 32bits的管理员堆栈寄存器(SSP)
• 32bits的向量基地址寄存器(VBR)

• D0~D7数据寄存器：存放数据或用作index寄存器，可以1bits,8bits,16bits,32bits操作
• A0~A6地址寄存器:用于对存储器选址，也可用作index寄存器，software stack寄存器,base address寄存器；可以16bits,32bits操作
• A7和OTHER_A7:通常用作堆栈寄存器(SP).coldfire实现了两个SP，一个是用户模式USP,一个是内核模式SSP.A7代表当前模式下的SP，OTHER_A7则代表另一个模式下的SP
• CCR是SR的低8位，可以在用户模式下访问；而SR高8位只能在内核模式下访问
• PC寄存器存放当前正在执行的指令地址，当一条指令执行完时，PC自动增加，指向下条指令
• 向量基地址寄存器(VBR)：存储coldfire异常向量表的基地址，复位时VBR=0指向0x0处的异常向量表

Coldfire的寻址模式

• 寄存器直接寻址模式
• 地址寄存器间接寻址
• 后增地址寄存器间接寻址
• 预减地址寄存器间接寻址
• 16位偏移量地址寄存器间接寻址
• 变址和8位偏移量地址寄存器间接寻址
• 16位偏移量的程序计数器间接寻址
• 变址和8位偏移量的程序计数器间接寻址
• 绝对短数据寻址模式
• 绝对长数据寻址模式
• 立即数寻址模式

Coldfire异常处理

• 系统异常包括系统错误，设备中断请求和陷阱指令引起的异常
• Coldfire处理异常的流程是先挂起正在执行的程序，将机器状态信息保存到系统堆栈，然后跳转到预定义的异常处理例程入口，执行异常处理例程。一旦完成，处理器将恢复机器状态，重新执行被打断的程序

Coldfire中断架构

• 与M68K相同，处理器支持7level中断，其中level7优先级最高；发生中断时，中断控制器会把该中断的level发送给coldfire
• Coldfire核收到中断level后，会与SR寄存器的10:8位interrupt mask对比，如果大于interrupt mask，则响应该中断
• 一旦进入中断响应处理，处理器自动切换到内核模式，禁止Trace mode，同时设置SR的interrupt mask等于该中断的level,然后获取中断向量号，并在内存中创建一个异常堆栈帧，保存PC和SR,接着跳转到中断服务程序
• 中断服务程序的第一个指令通常是重新装载SR，这样可以实现对中断嵌套的任意控制
• Isr执行完成后，处理器会恢复SR和PC，继续被打断的程序流程

Coldfire中断控制器

• Coldfire处理器集成了1个至3个中断控制器，MCF5223X和MCF5225x集成了2个控制器
• 每个中断控制器最多管理63个中断源，每一个中断源分配一个唯一的中断向量号
• Coldfire中断控制器支持两级优先级控制：interrupt level和interrupt priority
• 中断控制器支持7级中断嵌套，高优先级中断可以中断低优先级中断
• 每个中断控制器支持7级中断level,1级优先级最低，7级最高；可以将多个中断源分配到同一级level上
• 如果处于同一level的多个中断同时发生，则通过各中断的interrupt priority来区分优先级

中断向量号的确定

• 在coldfire MCU的参考手册上，每个中断控制器用中断源号标识各个中断
• 但coldfire处理器本身在响应中断时采用的是中断向量号,具体编写isr时也是根据中断向量号来确定isr在异常向量表中的位置的
• 转换公式：

   INTC0:中断向量号=64+中断源号

   INTC1:中断向量号=128+中断源号

中断控制器寄存器

• Interrupt pending Register(IPRHx/IPRLx)
• Interrupt Mask Register(IMRHx/IMRLx)
• Interrupt Force Register(INTFRCHx/INTFRCLx)
• Interrupt Request Level register(IRLRx)
• Interrupt Acknowledge Level and Priority Register(IACKLPRx)
• Interrupt Control Register(ICRxn)
• Software Interrupt Acknowledge(SWIACKx)
• Level m Interrupt Acknowledge Register(LmIACKx)

    x代表第几个中断控制器(x=0,1,2)

    n代表该中断控制器管理的中断源号(n=1~63)

    m代表Interrupt Level的数值(m=1~7)