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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開機(jī)自檢、板級(jí)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(dòng)程序，最終實(shí)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(cè)試以排除可能存在的深層次缺陷，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)性能穩(wěn)定、功能完善、高可靠性的能與國(guó)產(chǎn)龍芯2F處理器平臺(tái)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(qiáng)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(cè)、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(kuò)展性不好。現(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(dòng)以便以網(wǎng)絡(luò)下載加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，并對(duì)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(cè)試以適應(yīng)某些重要領(lǐng)域?qū)τ?jì)算機(jī)系統(tǒng)高可靠性要求。通過專門的測(cè)試程序來實(shí)現(xiàn)此任務(wù)，并且盡量保證高的測(cè)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(yùn)行的速度比較慢，并且空間有限，不能隨時(shí)更改ROM中的內(nèi)容，就需要把引導(dǎo)程序搬到內(nèi)存里運(yùn)行。因此，PMON的運(yùn)行過程分為兩個(gè)階段：第一階段是在ROM FLASH中運(yùn)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(duì)搜索到的PCI總線上的設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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?yàn)镸IPS 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(zhí)行非緩存的指令。在對(duì)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(dòng)代碼，于是設(shè)計(jì)了一個(gè)跳轉(zhuǎn)。這個(gè)跳轉(zhuǎn)可以測(cè)試CPU是否正常工作。如果硬件發(fā)生了某種嚴(yán)重的錯(cuò)誤，可能會(huì)導(dǎo)致CPU嚴(yán)重的異常。如果CPU正常啟動(dòng)起來并跳轉(zhuǎn)到了正確的位置并執(zhí)行了預(yù)先設(shè)計(jì)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(cè)試工作，這個(gè)過程如圖1所示。