基于龍芯2F架構的PMON分析與優(yōu)化

摘要：基本輸入／輸出系統(BIOS)是現代計算機系統的重要組成部分，負責計算機系統的開(kāi)機自檢、板級初始化、加載操作系統內核以及基本I／O功能。以龍芯2F CPU架構為研究背景，在其基礎上分析了PMON的系統結構與工作流程，通過(guò)添加網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序，最終實(shí)現通過(guò)PMON加載Linux和VxWorks操作系統。進(jìn)行必要的功能完善與性能優(yōu)化，并經(jīng)過(guò)嚴格的測試以排除可能存在的深層次缺陷，實(shí)現了一個(gè)性能穩定、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(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、操作系統引導和程序調試等功能。PMON早期的版本功能少且擴展性不好?，F在龍芯CPU上使用的PMON添加了硬盤(pán)和其他文件系統的支持，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)卡驅動(dòng)以便以網(wǎng)絡(luò )下載加載操作系統內核，并對移植好的PMON系統進(jìn)行了功能、性能和穩定性等方面的測試以適應某些重要領(lǐng)域對計算機系統高可靠性要求。通過(guò)專(zhuān)門(mén)的測試程序來(lái)實(shí)現此任務(wù)，并且盡量保證高的測試覆蓋性。

1 基于龍芯2F架構的PMON分析
1．1 PMON執行流程分析
在龍芯2F CPU上電之初，內存和內存控制器處于不確定狀態(tài)，因此CPU開(kāi)始執行的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(shí)更改ROM中的內容，就需要把引導程序搬到內存里運行。因此，PMON的運行過(guò)程分為兩個(gè)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、內存控制器、緩存和串口初始化等；第二階段在內存中執行，主要完成環(huán)境變量和基本數據結構的初始化、PCI總線(xiàn)掃描和設備初始化，顯卡初始化、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和設備初始化，并對搜索到的PCI總線(xiàn)上的設備進(jìn)行驅動(dòng)程序的加載與配置等，最后加載操作系統內核。
1．2 PMON在ROM中的執行流程
龍芯CPU開(kāi)始執行的指令將CP0控制寄存器的狀態(tài)寄存器和原因寄存器清零，讓CPU處于內核模式。這是因為MIPS CPU啟動(dòng)時(shí)，必須定義足夠的CPU控制寄存器狀態(tài)，以使CPU能執行非緩存的指令。在對緩存初始化之前，不能訪(fǎng)問(wèn)緩存。非緩存的異常入口在0xBFC00000，但此處沒(méi)有足夠的空間存放啟動(dòng)代碼，于是設計了一個(gè)跳轉。這個(gè)跳轉可以測試CPU是否正常工作。如果硬件發(fā)生了某種嚴重的錯誤，可能會(huì )導致CPU嚴重的異常。如果CPU正常啟動(dòng)起來(lái)并跳轉到了正確的位置并執行了預先設計的指令，就可以相信CPU正常，某些硬件正常。跳轉之后，PMON進(jìn)行一系列的初始化與測試工作，這個(gè)過(guò)程如圖1所示。