基于龍芯2F架構(gòu)的PMON分析與優(yōu)化

摘要：基本輸入／輸出系統(tǒng)(BIOS)是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)計算機系統(tǒng)的開機自檢、板級初始化、加載操作系統(tǒng)內(nèi)核以及基本I／O功能。以龍芯2F CPU架構(gòu)為研究背景，在其基礎(chǔ)上分析了PMON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程，通過添加網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，最終實現(xiàn)通過PMON加載Linux和VxWorks操作系統(tǒng)。進(jìn)行必要的功能完善與性能優(yōu)化，并經(jīng)過嚴(yán)格的測試以排除可能存在的深層次缺陷，實現(xiàn)了一個性能穩(wěn)定、功能完善、高可靠性的能與國產(chǎn)龍芯2F處理器平臺緊密搭配的BIOS。
關(guān)鍵詞：BIOS；CPU；龍芯2F處理器；PMON

    龍芯CPU使用PMON作為基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)。PMON具有強大而豐富的功能，除基本的I／O功能外，還包括硬件初始化與檢測、操作系統(tǒng)引導(dǎo)和程序調(diào)試等功能。PMON早期的版本功能少且擴展性不好?，F(xiàn)在龍芯CPU上使用的PMON添加了硬盤和其他文件系統(tǒng)的支持，以及顯卡的支持等。本文在深入分析PMON源碼的前提下，添加了82551網(wǎng)卡驅(qū)動以便以網(wǎng)絡(luò)下載加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，并對移植好的PMON系統(tǒng)進(jìn)行了功能、性能和穩(wěn)定性等方面的測試以適應(yīng)某些重要領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C系統(tǒng)高可靠性要求。通過專門的測試程序來實現(xiàn)此任務(wù)，并且盡量保證高的測試覆蓋性。

1 基于龍芯2F架構(gòu)的PMON分析
1．1 PMON執(zhí)行流程分析
    在龍芯2F CPU上電之初，內(nèi)存和內(nèi)存控制器處于不確定狀態(tài)，因此CPU開始執(zhí)行的BIOS代碼只能放在非易失性介質(zhì)中。PMON的二進(jìn)制代碼就存放于主板上一塊512 KB的FLASH芯片上，其虛擬地址為0xBFC00000，物理地址是0x1FC00000。
    由于在ROM FLASH運行的速度比較慢，并且空間有限，不能隨時更改ROM中的內(nèi)容，就需要把引導(dǎo)程序搬到內(nèi)存里運行。因此，PMON的運行過程分為兩個階段：第一階段是在ROM FLASH中運行，主要進(jìn)行基本硬件初始化，如：北橋、南橋、內(nèi)存控制器、緩存和串口初始化等；第二階段在內(nèi)存中執(zhí)行，主要完成環(huán)境變量和基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化、PCI總線掃描和設(shè)備初始化，顯卡初始化、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備初始化，并對搜索到的PCI總線上的設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動程序的加載與配置等，最后加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。
1．2 PMON在ROM中的執(zhí)行流程
    龍芯CPU開始執(zhí)行的指令將CP0控制寄存器的狀態(tài)寄存器和原因寄存器清零，讓CPU處于內(nèi)核模式。這是因為MIPS CPU啟動時，必須定義足夠的CPU控制寄存器狀態(tài)，以使CPU能執(zhí)行非緩存的指令。在對緩存初始化之前，不能訪問緩存。非緩存的異常入口在0xBFC00000，但此處沒有足夠的空間存放啟動代碼，于是設(shè)計了一個跳轉(zhuǎn)。這個跳轉(zhuǎn)可以測試CPU是否正常工作。如果硬件發(fā)生了某種嚴(yán)重的錯誤，可能會導(dǎo)致CPU嚴(yán)重的異常。如果CPU正常啟動起來并跳轉(zhuǎn)到了正確的位置并執(zhí)行了預(yù)先設(shè)計的指令，就可以相信CPU正常，某些硬件正常。跳轉(zhuǎn)之后，PMON進(jìn)行一系列的初始化與測試工作，這個過程如圖1所示。

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1．3 PMON在內(nèi)存中的執(zhí)行流程
    PMON在內(nèi)存中的執(zhí)行過程非常復(fù)雜，下面按照其執(zhí)行流程分析主要的函數(shù)：
    _init()：主要功能是順序執(zhí)行初始化。列表上的所有函數(shù)，建立必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編譯環(huán)境。初始化列表上的函數(shù)主要可以分為3類：命令初始化函數(shù)，文件系統(tǒng)初始化函數(shù)，可執(zhí)行文件初始化函數(shù)。
    Evenint()：環(huán)境變量初始化函數(shù)，這些環(huán)境變量解釋并執(zhí)行不同的命令。它們對PMON來說是必需的，用戶可以定義另外的變量來保存任何字符串，如文件名和命令符等。
    Tgt_devinit()：主要功能是南橋初始化和PCI設(shè)備初始化。其中南橋初始化函數(shù)是cs5536_init()。PCI設(shè)備初始化由函數(shù)_pci_businit()完成，分為兩步；先是北橋初始化，然后是設(shè)備初始化，包括對設(shè)備的掃描和設(shè)備所需資源的分配。PCI設(shè)備的初始化部分是PMON分析中的難點。
    Init_net()：主要進(jìn)行了如下的工作；虛擬內(nèi)存初始化等；用_pci_deviceinit函數(shù)完成了PCI配置空間的參數(shù)初始化，并且初始化顯卡；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始化包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化和協(xié)議的配置等。
    最后加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。這里會用到兩個重要的命令Load和g。Load命令用于加載文件(內(nèi)核)到內(nèi)存，g命令執(zhí)行內(nèi)核文件。加載了內(nèi)核文件之后就可以通過g命令來執(zhí)行內(nèi)核。

2 基于龍芯2F架構(gòu)的PMON修改與優(yōu)化
2．1 添加82551網(wǎng)卡驅(qū)動
    網(wǎng)卡是一個PCI設(shè)備，所以其驅(qū)動在PCI設(shè)備初始化時實現(xiàn)。對于PCI設(shè)備，有一個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct cfdata cfdata，這個數(shù)組是根據(jù)具體平臺的配置文件生成的，以下是配置文件的相關(guān)部分：
   
    這個部分描述了設(shè)備之間的鏈接關(guān)系，cfdata是這個關(guān)系的數(shù)組表示。另外還有一個PV數(shù)組定義一個設(shè)備的父設(shè)備，每個節(jié)點的父設(shè)備都是一個數(shù)組，在設(shè)備的cfdata結(jié)構(gòu)中定義數(shù)組的開始。
    上述配置文件中的fxp0表示的就是網(wǎng)卡設(shè)備。因為fxp0是PCI子設(shè)備，因此在查找PCI子設(shè)備時，其4個子設(shè)備：fxp0，rtkO，ohci，pci-ide的驅(qū)動也會在此時加載。查找設(shè)備有一個函數(shù)：config_found，其會調(diào)用config_serch，config_search從靜態(tài)設(shè)備樹cfdata中查找當(dāng)前設(shè)備的子設(shè)備，然后對設(shè)備調(diào)用mapply函數(shù)，進(jìn)行設(shè)備的匹配，如果設(shè)備存在則會調(diào)用該設(shè)備的ca_attach函數(shù)來加載設(shè)備的驅(qū)動程序。這里找到網(wǎng)卡設(shè)備之后會調(diào)用fxp_attach函數(shù)。在設(shè)計的網(wǎng)卡驅(qū)動中，實現(xiàn)了操作系統(tǒng)將怎樣通過網(wǎng)卡驅(qū)動來講網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送出去，而網(wǎng)卡收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包之后怎樣通過操作系統(tǒng)來做后續(xù)處理。在PMON中，網(wǎng)卡中斷通過查詢來實現(xiàn)。fxp_attach函數(shù)會調(diào)用pci_intr_establish將中斷程序注冊到查詢列表poll_list上。網(wǎng)口要將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，就必須提供一個網(wǎng)絡(luò)接口，以提供給發(fā)送函數(shù)。在這里，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包放在網(wǎng)絡(luò)接口的ifp→if_snd隊列中，然后啟動if_start來開始發(fā)送。在網(wǎng)卡發(fā)送完一個包后，檢查發(fā)送隊列，如果有剩余則繼續(xù)發(fā)送，直到發(fā)送完畢。然后通過函數(shù)e100_poll來檢查是否收到包，并進(jìn)行收包處理。先進(jìn)行緩沖區(qū)的清除，使能接收隊列，查詢是否有數(shù)據(jù)可接收，有則開始接收。無則繼續(xù)查詢并發(fā)出信息。[!--empirenews.page--]
2．2 編譯PMON
    添加好了網(wǎng)卡驅(qū)動程序之后，需要對PMON進(jìn)行重新配置和編譯。配置和編譯的過程如下。主要用到幾條命令：
    
    通過網(wǎng)絡(luò)來更新PMON時使用下面的命令：load-f 0xbfc00000-r tftp：／／192．16．12．30來進(jìn)行PMON的在線燒寫。并通過網(wǎng)絡(luò)來加載操作系統(tǒng)：load tftp：／／192．16．12．30／VxWorks．如果加載系統(tǒng)內(nèi)核成功則驗證了網(wǎng)卡驅(qū)動的有效。

3 系統(tǒng)測試
3．1 系統(tǒng)啟動階段網(wǎng)卡測試
    由于啟動階段網(wǎng)卡只用于加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，對性能并沒有太高要求。只需測試其功能即可。通過在啟動過程中用另外一臺主機對其進(jìn)行ping操作來測試其功能。其界面如圖2所示。

3．2 系統(tǒng)啟動時間測試
    經(jīng)過測試，在硬盤啟動模式下，系統(tǒng)從加電到操作系統(tǒng)啟動完畢耗時不超過35 s，符合絕大部分應(yīng)用需求。
3．3 500次開關(guān)機測試
    為測試移植后的系統(tǒng)POST功能的穩(wěn)定性，進(jìn)行了500次開關(guān)機實驗。經(jīng)驗證，成功啟動次數(shù)為500，失敗次數(shù)為0，成功率100％。
3．4 200 h老練測試
    為測試PMON在系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性，用專用的整機測試軟件進(jìn)行了200 h老練測試。經(jīng)測試，系統(tǒng)運行正常，未出現(xiàn)故障，測試合格。

4 結(jié)語
    為了適應(yīng)PMON在國產(chǎn)計算機系統(tǒng)中的需求，對其進(jìn)行了分析與優(yōu)化。在分析了源碼的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了必要的修改與優(yōu)化，增加了82551網(wǎng)卡的驅(qū)動等。為了驗證優(yōu)化后系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)行了一系列的測試驗證，包括啟動階段的網(wǎng)絡(luò)測試、系統(tǒng)啟動時間測量、500次開
關(guān)機測試以及200 h老練測試等。經(jīng)驗證，修改后的PMON系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以在多個重要領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用。