基于龍芯平臺的PMON研究與開發(fā)

吳亞杰， 劉衛(wèi)東 ，， 曾小光

（1.中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.海信電器股份有限公司 山東 青島 200071）

龍芯是中國科學(xué)院計算所研制的通用CPU，已獲得MIPS科技公司的MIPS指令集的專利授權(quán)。龍芯1號的CPU主頻是266 MHz，最早在2002年開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。龍芯2號主頻最高為1 GHz。龍芯3號于2010年推出成品，其設(shè)計的目標(biāo)則在多核心的設(shè)計[1]。隨著龍芯的發(fā)展，龍芯CPU已不僅僅局限于個人桌面計算機(jī)領(lǐng)域，在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，龍芯CPU也同樣發(fā)展迅速，從2000年以來，越來越多的產(chǎn)品開始采用龍芯CPU。在計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)中，無論是個人計算機(jī)、服務(wù)器還是嵌入式領(lǐng)域，基本輸入輸出系統(tǒng)BIOS是必不可少的，因?yàn)锽IOS負(fù)責(zé)計算機(jī)系統(tǒng)的開機(jī)自檢、板級硬件初始化、加載操作系統(tǒng)內(nèi)核以及基本I/O功能。

PMON是一款ROM－Monitor型的開源軟件，最初是為了LSI Logic MIPS R3000評估板的功能需求而開發(fā)的。經(jīng)過多年發(fā)展，目前已經(jīng)能夠支持MIPS、ARM、PPC和X86等CPU體系[2]。PMON具有強(qiáng)大而豐富的功能，除基本的I/O功能外，還包括CPU初始化、板級外設(shè)初始化與檢測、操作系統(tǒng)引導(dǎo)和調(diào)試等功能，并且 PMON支持從Flash、IDE、TFTP以及USB來啟動操作系統(tǒng)。

1PMON框架分析

1.1PMON目錄結(jié)構(gòu)說明

PMON源代碼的目錄結(jié)構(gòu)如圖1所示，對于圖示中關(guān)鍵模塊說明如下：

圖1 PMON目錄結(jié)構(gòu)Fig.1 PMON composition

1）Targets目錄 Targets目錄下存放的是與板級相關(guān)的代碼，該目錄下的每個子目錄都對應(yīng)著某一個具體的開發(fā)板，當(dāng)要將PMON移植到一個新的開發(fā)板時，就需要在該目錄新建一個子目錄，并向新建的子目錄中添加開發(fā)板相關(guān)的代碼，其中主要有以下幾個重要文件：start.S文件位于Targets/mips_board/mips_board目錄下，是整個PMON運(yùn)行的起點(diǎn)；tgt_machdep.c文件位于 Targets/mips_board/mips_board目錄下，完成大部分板級外設(shè)的初始化工作；Targets/mips_board/dev目錄存放板級外設(shè)的驅(qū)動程序，所需移植的網(wǎng)卡驅(qū)動文件即存放于此目錄中；Targets/mips_board/conf目錄主要存放與硬件板相關(guān)的配置文件。大部分的文件都在Targets/mips_board/compile/mips_board目錄中完成編譯，調(diào)試用的pmon.gdb文件即位于此目錄。

2）conf目錄 Conf目錄下存放的是整個PMON系統(tǒng)的配置文件。

3）pmon目錄 該目錄下存放的是PMON公用的代碼，包括PMON所支持的各種命令，與CPU相關(guān)的代碼以及文件系統(tǒng)相關(guān)的代碼，主要有以下幾個子目錄：arch目錄下的子目錄存放的是與CPU相關(guān)的代碼；cmds目錄下存放的是各種在PMON中可以使用的命令文件，比如：ifup、devcp、g等命令，如果要想向PMON中添加新的命令，需要在此目錄下添加源文件、實(shí)現(xiàn)該命令功能即可；fs目錄下存放的是與各文件系統(tǒng)相關(guān)的代碼；common目錄下存放的是一些通用代碼，比如：命令解析、調(diào)試接口、異常處理、環(huán)境變量設(shè)置程序等部分；netio目錄下存放的是與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的命令的實(shí)現(xiàn)代碼。

4）Sys目錄 Sys目錄存放的是系統(tǒng)支持文件。

5）Lib目錄 Lib目錄存放的是庫的實(shí)現(xiàn)代碼。

6）zloader.mips_board目錄 最終燒寫到 Nand Flash中的的gzrom.bin文件就是在該目錄下經(jīng)過鏈接而生成的。

1.2PMON初始化流程

當(dāng)開發(fā)板上電之后，CPU即從0xBFC00000處取指令執(zhí)行，整個PMON的入口位于start.S文件。該匯編程序主要完成CPU的初始化工作，設(shè)置異常向量入口、設(shè)置棧、初始化UART、初始化內(nèi)存、初始化CACHE，并完成對PMON的代碼拷貝工作，即由Nor Flash搬運(yùn)到SDRAM，以提高代碼執(zhí)行速度[3]。最后PC指針跳轉(zhuǎn)到PMON的C入口initmips函數(shù)處繼續(xù)執(zhí)行，從此進(jìn)入C語言的執(zhí)行環(huán)境。整個執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 PMON初始化流程Fig.2 Flow chart of PMON initializing

在initmips函數(shù)中主要通過dbginit這個函數(shù)來完成大部分的初始化工作，主要有以下幾個函數(shù)來實(shí)現(xiàn)初始化工作：

1）__init函數(shù)： 初始化帶有 __attribute__ （（constructor））屬性的函數(shù)。

2）envinit函數(shù)：環(huán)境變量初始化。

3）init_net函數(shù)：網(wǎng)絡(luò)初始化，網(wǎng)卡設(shè)備的部分初始化也在這個函數(shù)中完成。

4）histinit函數(shù)：初始化歷史命令記錄。

在initmips函數(shù)完成初始化任務(wù)后，即跳轉(zhuǎn)到pmon/common/main.c中的main函數(shù)執(zhí)行，在main函數(shù)中設(shè)置完一些參數(shù)后，即進(jìn)入一個while循環(huán)，等待用戶輸入命令，while循環(huán)內(nèi)部主要有兩個函數(shù)get_line和do_cmd函數(shù)。get_line函數(shù)一直試圖獲取用戶輸入的命令，而do_cmd函數(shù)負(fù)責(zé)解析命令，解析成功后，則分派相應(yīng)的命令函數(shù)去執(zhí)行；解析失敗則返回到while循環(huán)，繼續(xù)等待用戶輸入命令。執(zhí)行到這里PMON已經(jīng)完全運(yùn)行起來了。此時如果需要加載內(nèi)核，用load命令將內(nèi)核加載到內(nèi)存中，接著用g命令則傳遞參數(shù)給內(nèi)核，并開始啟動操作系統(tǒng)。

1.3 PMON中調(diào)試命令介紹

PMON與其他Bootloader相比，其優(yōu)勢在于PMON的調(diào)試功能強(qiáng)大。PMON本身能支持設(shè)置斷點(diǎn)命令b、查看/設(shè)置寄存器命令r、單步執(zhí)行命令t、查看堆棧信息命令bt以及繼續(xù)執(zhí)行命令c等調(diào)試相關(guān)的命令。b命令用于設(shè)置斷點(diǎn)，需要注意的是在PMON中最多可以支持32個斷點(diǎn)。r命令用于顯示/設(shè)置CPU寄存器，直接輸入r后會打印所有寄存器的信息。t命令用于單步執(zhí)行。bt命令用于顯示當(dāng)前堆棧信息。c命令用于繼續(xù)執(zhí)行，即從當(dāng)前斷點(diǎn)處繼續(xù)往下執(zhí)行，相當(dāng)于gdb的continue命令。除了上面列出的調(diào)試命令外，PMON還支持很多其它命令，比如：用于燒寫Nor Flash的devcp命令、顯示設(shè)備的devls命令、設(shè)置環(huán)境變量的set命令、顯示環(huán)境變量的env命令、加載文件的load命令、運(yùn)行程序的g命令等。

2PMON中網(wǎng)卡驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)

2.1PMON查找設(shè)備

以上重點(diǎn)描述了PMON的整體執(zhí)行過程，接下來就要具體實(shí)現(xiàn)在PMON中的網(wǎng)卡移植過程。首先要在配置文件Targets/Hiview/conf/file.Hiview中添加如下部分：

上面這部分內(nèi)容定義了網(wǎng)卡掛載的總線，以及需要編譯的網(wǎng)卡驅(qū)動的源代碼文件等，在重新編譯PMON時需要執(zhí)行make cfg這個命令，此時會讀取配置文件，從而生成一個名為cfdata的數(shù)組，在PMON的啟動過程中會通過configure函數(shù)去配置已知的各個設(shè)備，并通過掃描有哪些設(shè)備掛在了總線上，PMON根據(jù)cfdata數(shù)組依次掃描設(shè)備。PMON首先通過config_rootfound函數(shù)來查找根設(shè)備，查找成功后再通過config_rootsearch函數(shù)來查找根設(shè)備上的子設(shè)備，子設(shè)備查找成功后則執(zhí)行相應(yīng)的子設(shè)備的掛載函數(shù)，通知PMON該子設(shè)備已找到，并將相應(yīng)的子設(shè)備操作函數(shù)注冊到PMON中。

2.2 網(wǎng)卡初始化

若網(wǎng)卡設(shè)備查找成功，則執(zhí)行網(wǎng)卡的掛載函數(shù)，即fxp_attach函數(shù)，在fxp_attach函數(shù)中完成中斷處理函數(shù)fxp_intr的注冊，調(diào)用tgt_poll_register函數(shù)將中斷處理函數(shù)fxp_intr注冊到查詢列表poll_list上。在fxp_attach函數(shù)中完成的另外一個重要工作是將網(wǎng)卡驅(qū)動的函數(shù)添加到PMON中，以便PMON的上層接口能夠正確調(diào)用到網(wǎng)卡設(shè)備的下層驅(qū)動函數(shù)來實(shí)現(xiàn)功能，這里通過填充net_device結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)，如下代碼即實(shí)現(xiàn)了該工作：

其中打開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過net_fxp_open函數(shù)來完成，net_fxp_open主要工作是初始化網(wǎng)卡設(shè)備的相關(guān)寄存器，并分配用于接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，設(shè)置好緩沖區(qū)的狀態(tài)。net_fxp_close函數(shù)則是在關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時調(diào)用，主要完成清除發(fā)送隊(duì)列，關(guān)閉網(wǎng)卡的發(fā)送、接收使能等工作。net_fxp_hard_start_xmit則負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)[4]。

2.3 網(wǎng)卡發(fā)送與接收數(shù)據(jù)過程

當(dāng)網(wǎng)卡設(shè)備接口處有數(shù)據(jù)傳進(jìn)來時就會觸發(fā)一個中斷，然后調(diào)用網(wǎng)卡接收程序net_fxp_rx函數(shù)進(jìn)行處理。當(dāng)網(wǎng)卡接收程序net_fxp_rx接收完數(shù)據(jù)或者網(wǎng)卡發(fā)送程序net_fxp_hard_start_xmit發(fā)送完數(shù)據(jù)后，也會觸發(fā)一個中斷，fxp_intr對接收到的中斷進(jìn)行檢測，掃描網(wǎng)卡設(shè)備的中斷寄存器，判斷是接收中斷還是發(fā)送完畢中斷，然后根據(jù)檢測結(jié)果跳轉(zhuǎn)到不同的處理函數(shù)去執(zhí)行，如果是接收中斷，則轉(zhuǎn)到net_fxp_rx_poll函數(shù)中去處理傳過來的數(shù)據(jù)，并將其傳遞給上層協(xié)議。如果是包發(fā)送完畢中斷，則跳轉(zhuǎn)到net_fxp_tx_done函數(shù)，通過該函數(shù)檢查網(wǎng)卡的發(fā)送狀態(tài)并記錄下發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)等信息，檢查發(fā)送隊(duì)列判斷是否要接著發(fā)送數(shù)據(jù)，還是發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)已經(jīng)全部完成。若是已完成數(shù)據(jù)的發(fā)送，則更新緩沖區(qū)狀態(tài)，然后返回到中斷處理函數(shù)[5]。

2.4 編譯PMON

龍芯LS232 CPU是兼容MIPS指令集的，故在該CPU平臺下可采用MIPS的工具鏈。本文的開發(fā)環(huán)境是REHL 5.5操作系統(tǒng)，gcc編譯器采用的是gcc-3.4.6版本，在制作交叉工具鏈時需要加上--target=mipsel-linux參數(shù)[6]。添加完網(wǎng)卡驅(qū)動后，需要重新編譯PMON，依次執(zhí)行以下命令：

編譯成功后，會在此目錄下生成一個gzrom.bin文件，將其燒入Nor Flash的0xbfc00000地址處即可[7]。

2.5 測試結(jié)果

在添加完網(wǎng)卡驅(qū)動后，PMON重新編譯成功。啟動PMON后，通過使用ping程序測試（如圖3所示），測試結(jié)果表明網(wǎng)卡驅(qū)動功能正常。

圖3 ping測試Fig.3 Ping testing

3 結(jié)束語

本文是研究基于龍芯平臺下的一種Bootloader（PMON）的實(shí)現(xiàn)。分別分析了PMON的整體框架、初始化流程、PMON的源碼，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了網(wǎng)卡驅(qū)動的移植工作。代碼編寫及網(wǎng)卡移植后，完成單元測試、功能驗(yàn)證，PMON及網(wǎng)卡模塊功能正常、運(yùn)行穩(wěn)定。

[1]龍芯官方論壇.龍芯的歷程[EB/OL].（2011-05-04）[2011-06-09].http://www.loongson.cn/about_two.php?id=10&sub=龍芯的歷程.

[2]PMON-LinuxMIPS.PMON[EB/OL].（2010-02-08）[2011-06-10].http://www.linux-mips.org/wiki/PMON.

[3]aaaaatiger.PMON啟動流程[EB/OL].（2007-06-04）[2011-06-12].http://blog.csdn.net/aaaaatiger/article/details/1638182.

[4]宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解[M].2版.北京：人民郵電出版社，2010.

[5]CorbetJ.LINUX設(shè)備驅(qū)動程序[M].魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.北京：中國電力出版社，2006.

[6]STRONGCHINA.Loongson GCC安裝和發(fā)布事項(xiàng) 2.2[EB/OL].（2008-10-07）[2011-06-23].http://bbs.lemote.com/viewthread.php?tid=18816&extra=page%3D1.

[7]CAIMOUSE.編譯PMON指南 [EB/OL]. （2006-12-24）[2011-06-23].http://www.lemote.com/bbs/viewthread.php?tid=3147&extra=page%3D1%26filter%3Ddigest.