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R MicroBlaze Processor Reference Guide Embedded Development Kit EDK 10.1i UG081 (v9.0)

MicroBlaze Processor Reference Guide - All Programmable · PDF fileMicroBlaze Processor Reference Guide UG081 ... MicroBlaze Architecture ... Processor Local Bus

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    MicroBlaze Processor Reference GuideEmbedded Development Kit EDK 10.1i

    UG081 (v9.0)

  • MicroBlaze Processor Reference Guide www.xilinx.com UG081 (v9.0) 1-800-255-7778

    2008 Xilinx, Inc. All Rights Reserved. XILINX, the Xilinx logo, and other designated brands included herein are trademarks of Xilinx, Inc. All other trademarks are the property of their respective owners.NOTICE OF DISCLAIMER: Xilinx is providing this design, code, or information as is. By providing the design, code, or information as one possible implementation of this feature, application, or standard, Xilinx makes no representation that this implementation is free from any claims of infringement. You are responsible for obtaining any rights you may require for your implementation. Xilinx expressly disclaims any warranty whatsoever with respect to the adequacy of the implementation, including but not limited to any warranties or representations that this implementation is free from claims of infringement and any implied warranties of merchantability or fitness for a particular purpose.

    MicroBlaze Processor Reference Guide UG081 (v9.0) The following table shows the revision history for this document.

    Date Version Revision

    10/01/02 1.0 Xilinx EDK 3.1 release

    03/11/03 2.0 Xilinx EDK 3.2 release

    09/24/03 3.0 Xilinx EDK 6.1 release

    02/20/04 3.1 Xilinx EDK 6.2 release

    08/24/04 4.0 Xilinx EDK 6.3 release

    09/21/04 4.1 Minor corrections for EDK 6.3 SP1 release

    11/18/04 4.2 Minor corrections for EDK 6.3 SP2 release

    01/20/05 5.0 Xilinx EDK 7.1 release

    04/02/05 5.1 Minor corrections for EDK 7.1 SP1 release

    05/09/05 5.2 Minor corrections for EDK 7.1 SP2 release

    10/05/05 5.3 Minor corrections for EDK 8.1 release

    02/21/06 5.4 Corrections for EDK 8.1 SP2 release

    06/01/06 6.0 Xilinx EDK 8.2 release

    07/24/06 6.1 Minor corrections for EDK 8.2 SP1 release

    08/21/06 6.2 Minor corrections for EDK 8.2 SP2 release

    08/29/06 6.3 Minor corrections for EDK 8.2 SP2 release

    09/15/06 7.0 Xilinx EDK 9.1 release

    02/22/07 7.1 Minor corrections for EDK 9.1 SP1 release

    03/27/07 7.2 Minor corrections for EDK 9.1 SP2 release

    06/25/07 8.0 Xilinx EDK 9.2 release

    10/12/07 8.1 Minor corrections for EDK 9.2 SP2 release

    01/17/08 9.0 Xilinx EDK 10.1 release

    http://www.xilinx.com

  • Table of Contents

    Preface: About This GuideGuide Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    Typographical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Online Document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    Chapter 1: MicroBlaze ArchitectureOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Data Types and Endianness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    General Purpose Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Special Purpose Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    Pipeline Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Three Stage Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Five Stage Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    Memory Architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Privileged Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Virtual-Memory Management. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    Real Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Virtual Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Translation Look-Aside Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Access Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55UTLB Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Recording Page Access and Page Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    Reset, Interrupts, Exceptions, and Break . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Reset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Hardware Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Breaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Interrupt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62User Vector (Exception) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    Instruction Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63General Instruction Cache Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Instruction Cache Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Instruction Cache Software Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    Data Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65General Data Cache Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Data Cache Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Data Cache Software Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    Floating Point Unit (FPU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    UG081 (v9.0) www.xilinx.com MicroBlaze Processor Reference Guide1-800-255-7778

    http://www.xilinx.com

  • Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Rounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

    Fast Simplex Link (FSL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Hardware Acceleration using FSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    Debug and Trace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Debug Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Trace Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    Chapter 2: MicroBlaze Signal Interface DescriptionOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .