基于龙芯平台的PMON研究与开发

2011-06-05吴亚杰刘卫东曾小光

电子设计工程 2011年17期

吴亚杰，刘卫东，，曾小光

（1.中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛 266100；2.海信电器股份有限公司山东青岛 200071）

龙芯是中国科学院计算所研制的通用CPU，已获得MIPS科技公司的MIPS指令集的专利授权。龙芯1号的CPU主频是266 MHz，最早在2002年开始产业化应用。龙芯2号主频最高为1 GHz。龙芯3号于2010年推出成品，其设计的目标则在多核心的设计[1]。随着龙芯的发展，龙芯CPU已不仅仅局限于个人桌面计算机领域，在嵌入式开发领域，龙芯CPU也同样发展迅速，从2000年以来，越来越多的产品开始采用龙芯CPU。在计算机的体系结构中，无论是个人计算机、服务器还是嵌入式领域，基本输入输出系统BIOS是必不可少的，因为BIOS负责计算机系统的开机自检、板级硬件初始化、加载操作系统内核以及基本I/O功能。

PMON是一款ROM－Monitor型的开源软件，最初是为了LSI Logic MIPS R3000评估板的功能需求而开发的。经过多年发展，目前已经能够支持MIPS、ARM、PPC和X86等CPU体系[2]。PMON具有强大而丰富的功能，除基本的I/O功能外，还包括CPU初始化、板级外设初始化与检测、操作系统引导和调试等功能，并且 PMON支持从Flash、IDE、TFTP以及USB来启动操作系统。

1PMON框架分析

1.1PMON目录结构说明

PMON源代码的目录结构如图1所示，对于图示中关键模块说明如下：

图1 PMON目录结构Fig.1 PMON composition

1）Targets目录 Targets目录下存放的是与板级相关的代码，该目录下的每个子目录都对应着某一个具体的开发板，当要将PMON移植到一个新的开发板时，就需要在该目录新建一个子目录，并向新建的子目录中添加开发板相关的代码，其中主要有以下几个重要文件：start.S文件位于Targets/mips_board/mips_board目录下，是整个PMON运行的起点；tgt_machdep.c文件位于 Targets/mips_board/mips_board目录下，完成大部分板级外设的初始化工作；Targets/mips_board/dev目录存放板级外设的驱动程序，所需移植的网卡驱动文件即存放于此目录中；Targets/mips_board/conf目录主要存放与硬件板相关的配置文件。大部分的文件都在Targets/mips_board/compile/mips_board目录中完成编译，调试用的pmon.gdb文件即位于此目录。

2）conf目录 Conf目录下存放的是整个PMON系统的配置文件。

3）pmon目录该目录下存放的是PMON公用的代码，包括PMON所支持的各种命令，与CPU相关的代码以及文件系统相关的代码，主要有以下几个子目录：arch目录下的子目录存放的是与CPU相关的代码；cmds目录下存放的是各种在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，需要在此目录下添加源文件、实现该命令功能即可；fs目录下存放的是与各文件系统相关的代码；common目录下存放的是一些通用代码，比如：命令解析、调试接口、异常处理、环境变量设置程序等部分；netio目录下存放的是与网络相关的命令的实现代码。

4）Sys目录 Sys目录存放的是系统支持文件。

5）Lib目录 Lib目录存放的是库的实现代码。

6）zloader.mips_board目录最终烧写到 Nand Flash中的的gzrom.bin文件就是在该目录下经过链接而生成的。

1.2PMON初始化流程

当开发板上电之后，CPU即从0xBFC00000处取指令执行，整个PMON的入口位于start.S文件。该汇编程序主要完成CPU的初始化工作，设置异常向量入口、设置栈、初始化UART、初始化内存、初始化CACHE，并完成对PMON的代码拷贝工作，即由Nor Flash搬运到SDRAM，以提高代码执行速度[3]。最后PC指针跳转到PMON的C入口initmips函数处继续执行，从此进入C语言的执行环境。整个执行流程如图2所示。

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

在initmips函数中主要通过dbginit这个函数来完成大部分的初始化工作，主要有以下几个函数来实现初始化工作：

1）__init函数：初始化带有 __attribute__ （（constructor））属性的函数。

2）envinit函数：环境变量初始化。

3）init_net函数：网络初始化，网卡设备的部分初始化也在这个函数中完成。

4）histinit函数：初始化历史命令记录。

在initmips函数完成初始化任务后，即跳转到pmon/common/main.c中的main函数执行，在main函数中设置完一些参数后，即进入一个while循环，等待用户输入命令，while循环内部主要有两个函数get_line和do_cmd函数。get_line函数一直试图获取用户输入的命令，而do_cmd函数负责解析命令，解析成功后，则分派相应的命令函数去执行；解析失败则返回到while循环，继续等待用户输入命令。执行到这里PMON已经完全运行起来了。此时如果需要加载内核，用load命令将内核加载到内存中，接着用g命令则传递参数给内核，并开始启动操作系统。

1.3 PMON中调试命令介绍

PMON与其他Bootloader相比，其优势在于PMON的调试功能强大。PMON本身能支持设置断点命令b、查看/设置寄存器命令r、单步执行命令t、查看堆栈信息命令bt以及继续执行命令c等调试相关的命令。b命令用于设置断点，需要注意的是在PMON中最多可以支持32个断点。r命令用于显示/设置CPU寄存器，直接输入r后会打印所有寄存器的信息。t命令用于单步执行。bt命令用于显示当前堆栈信息。c命令用于继续执行，即从当前断点处继续往下执行，相当于gdb的continue命令。除了上面列出的调试命令外，PMON还支持很多其它命令，比如：用于烧写Nor Flash的devcp命令、显示设备的devls命令、设置环境变量的set命令、显示环境变量的env命令、加载文件的load命令、运行程序的g命令等。

2PMON中网卡驱动的实现

2.1PMON查找设备

以上重点描述了PMON的整体执行过程，接下来就要具体实现在PMON中的网卡移植过程。首先要在配置文件Targets/Hiview/conf/file.Hiview中添加如下部分：

上面这部分内容定义了网卡挂载的总线，以及需要编译的网卡驱动的源代码文件等，在重新编译PMON时需要执行make cfg这个命令，此时会读取配置文件，从而生成一个名为cfdata的数组，在PMON的启动过程中会通过configure函数去配置已知的各个设备，并通过扫描有哪些设备挂在了总线上，PMON根据cfdata数组依次扫描设备。PMON首先通过config_rootfound函数来查找根设备，查找成功后再通过config_rootsearch函数来查找根设备上的子设备，子设备查找成功后则执行相应的子设备的挂载函数，通知PMON该子设备已找到，并将相应的子设备操作函数注册到PMON中。

2.2 网卡初始化

若网卡设备查找成功，则执行网卡的挂载函数，即fxp_attach函数，在fxp_attach函数中完成中断处理函数fxp_intr的注册，调用tgt_poll_register函数将中断处理函数fxp_intr注册到查询列表poll_list上。在fxp_attach函数中完成的另外一个重要工作是将网卡驱动的函数添加到PMON中，以便PMON的上层接口能够正确调用到网卡设备的下层驱动函数来实现功能，这里通过填充net_device结构体来实现，如下代码即实现了该工作：

其中打开网络设备通过net_fxp_open函数来完成，net_fxp_open主要工作是初始化网卡设备的相关寄存器，并分配用于接收、发送数据的缓冲区，设置好缓冲区的状态。net_fxp_close函数则是在关闭网络设备时调用，主要完成清除发送队列，关闭网卡的发送、接收使能等工作。net_fxp_hard_start_xmit则负责启动网卡发送数据[4]。

2.3 网卡发送与接收数据过程

当网卡设备接口处有数据传进来时就会触发一个中断，然后调用网卡接收程序net_fxp_rx函数进行处理。当网卡接收程序net_fxp_rx接收完数据或者网卡发送程序net_fxp_hard_start_xmit发送完数据后，也会触发一个中断，fxp_intr对接收到的中断进行检测，扫描网卡设备的中断寄存器，判断是接收中断还是发送完毕中断，然后根据检测结果跳转到不同的处理函数去执行，如果是接收中断，则转到net_fxp_rx_poll函数中去处理传过来的数据，并将其传递给上层协议。如果是包发送完毕中断，则跳转到net_fxp_tx_done函数，通过该函数检查网卡的发送状态并记录下发送数据的字节数等信息，检查发送队列判断是否要接着发送数据，还是发送数据任务已经全部完成。若是已完成数据的发送，则更新缓冲区状态，然后返回到中断处理函数[5]。

2.4 编译PMON

龙芯LS232 CPU是兼容MIPS指令集的，故在该CPU平台下可采用MIPS的工具链。本文的开发环境是REHL 5.5操作系统，gcc编译器采用的是gcc-3.4.6版本，在制作交叉工具链时需要加上--target=mipsel-linux参数[6]。添加完网卡驱动后，需要重新编译PMON，依次执行以下命令：