龙芯启动部分程序，向内核迈进
从计算机的启动到执行C语言程序大致流程为：1.计算机上电 -> 2.运行 ROM 程序（BIOS、UEFI） -> 3.从 ROM 程序接管计算机控制，进行初步设置 -> 4.运行 C 语言程序。这其中内核编程人员从第 3 步开始需要编写程序，且这部分代码基本上为直接操作寄存器进行设置，所以一般使用汇编代码编写。当对计算机进行内核所需的初始化之后，跳转到 C 语言程序部分开始执行后续内容。后续内容中一般只有少部分代码需要直接操作寄存器，所以后续直接操作寄存器的内容一般使用内敛汇编完成。
如果后续内容中存在需要大量操作寄存器的部分，也会直接编写汇编程序。例如例外和中断处理、上下文切换。
本章龙芯启动部分程序的内容为：从ROM程序开始接管计算机控制，进行初步设置，然后跳转至C语言程序。C语言程序中使用串口输出功能，输出hello os-loongson。
2.1 龙芯启动
上面提到的计算机启动大致流程中，第 3 步的一个作用是为内核提供一个确定性的状态，方便内核管理计算机。为了给内核提供确定性的状态，所以要设置很多系统寄存器和通用寄存器，就会用到汇编语言。为了先体验一下在龙芯架构上的开发，使用最简单的方法看到执行效果。这里先简化这个过程，不进行这个第 3 步的初始化。计算机上电、运行 ROM 程序之后，写一个简单的串口输出程序的 C 语言程序，直接输出 hello loongson 字符串。
可参考
修改 os-loongson/os-elephant-dev/kernel/init.c 文件内容：
Copy /* os-loongson/os-elephant-dev/kernel/init.c */
// #include "init.h"
// #include "print.h"
// #include "interrupt.h"
// #include "timer.h"
// #include "memory.h"
// #include "thread.h"
// #include "console.h"
// #include "keyboard.h"
// #include "tss.h"
// #include "syscall-init.h"
// #include "ide.h"
// #include "fs.h"
unsigned long uart_base = 0x1fe001e0; // UART0 寄存器物理地址基址
#define UART0_THR (uart_base + 0) // 数据传输寄存器
#define UART0_LSR (uart_base + 5) // 线路状态寄存器
#define LSR_TX_IDLE (1 << 5) // 传输 FIFO 位空表示位，为 1 表示可以传输
static char io_readb(unsigned long addr)
{
return *(volatile char*)addr;
}
static void io_writeb(unsigned long addr, char c)
{
*(char*)addr = c;
}
static void putc(char c)
{
// wait for Transmit Holding Empty to be set in LSR.
while((io_readb(UART0_LSR) & LSR_TX_IDLE) == 0);
io_writeb(UART0_THR, c);
}
static void puts(char *str)
{
while (*str != 0) {
putc(*str);
str++;
}
}
/* 负责初始化所有模块 */
void init_all()
{
puts("hello os-loongson\n");
while(1);
// put_str("init_all\n");
// idt_init(); // 初始化中断
// mem_init(); // 初始化内存管理系统
// thread_init(); // 初始化线程相关结构
// timer_init(); // 初始化PIT
// console_init(); // 控制台初始化最好放在开中断之前
// keyboard_init(); // 键盘初始化
// tss_init(); // tss初始化
// syscall_init(); // 初始化系统调用
// intr_enable(); // 后面的ide_init需要打开中断
// ide_init(); // 初始化硬盘
// filesys_init(); // 初始化文件系统
} 暂时注释掉原有的代码，新增的代码就是串口输出的一个简单实现。上面代码中涉及的知识点和与 x86 架构 os-elephant-dev 的不同点：
x86 架构 os-elephant-dev 在启动后输出字符为访问 0xb8000 起始的显存。
创建 os-loongson/os-elephant-dev/script 目录，然后在该目录下创建一个名为 kernel.ld 的文件。
Copy os-loongson/os-elephant-dev$ mkdir script
os-loongson/os-elephant-dev$ cd script
os-loongson/os-elephant-dev/script$ touch kernel.ld kernel.ld 的内容涉及链接脚本的知识，推荐博客及官方文档：
kernel.ld 文件的内容如下：
Copy ENTRY(init_all) /* 设置入口点 */
SECTIONS
{
. = 0x0000000000200000;
PROVIDE( _start = . );
.head.text : {
KEEP(*(.head.text))
}
.text : {
*(.text)
. = ALIGN(4096);
}
. = ALIGN(1 << 12);
.data : {
__start_init_task = .;
init_thread_union = .;
init_stack = .;
. = __start_init_task + 0x00004000;
*(.data)
*(.rodata)
. = ALIGN(8192);
}
. = ALIGN(1 << 12);
__bss_start = .;
.bss : {
*(.bss)
. = ALIGN(4096);
}
__bss_stop = .;
. = ALIGN(1 << 12);
PROVIDE( _end = . );
} 为什么这里把起始地址安排在 0x0000000000200000 ？
参阅文档 loongson_devsys_firmware_kernel_interface_specification_v2.2.pdf 第 4 节。
修改 os-loongson/os-elephant-dev/makefile 文件，修改为如下内容：
Copy BUILD_DIR = ./build
CROSS_COMPILE = ../toolchains/cross-tools/bin/loongarch64-unknown-linux-gnu-
AS = $(CROSS_COMPILE)as
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc
LD = $(CROSS_COMPILE)ld
CFLAGS = -Wall -g -march=loongarch64 -mabi=lp64s -ffreestanding -fno-common -nostdlib -fno-stack-protector -fno-pie -no-pie -c -I ./include/
AFLAGS = -nostdinc -D__ASSEMBLY__ -fno-PIE -mabi=lp64s -G0 -pipe -msoft-float -mexplicit-relocs -ffreestanding -mno-check-zero-division -c -I ./include/
LDFLAGS = -m elf64loongarch --no-warn-rwx-segments -G0 -n -nostdlib
OBJS = $(BUILD_DIR)/init.o
$(BUILD_DIR)/init.o: kernel/init.c
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/kernel.elf: $(OBJS)
$(LD) $(LDFLAGS) -T ./script/kernel.ld $^ -o $@
clean:
cd $(BUILD_DIR) && rm -rf ./* && if [ -e hd*.img ];then rm ../*.img;fi
build_dir:
mkdir -p $(BUILD_DIR)
build: $(BUILD_DIR)/kernel.elf
all: build_dir clean build 在 os-loongson/os-elephant-dev/ 目录下执行 make all 进行编译链接：
Copy os-loongson/os-elephant-dev$ make all 在 os-loongson/qemu/ 目录下执行下述命令运行：
Copy os-loongson/qemu$ ./qemu-system-loongarch64 -m 4G -smp 1 -bios ./loongarch_bios_0310_debug.bin -vga none -nographic -kernel ../os-elephant-dev/build/kernel.elf 运行截图如下所示：
2.2 内核初始化，提供确定性状态
内核在刚开始运行时需要一些确定性的设置，包括运行在哪个特权等级下、内存地址访问方式。这里会涉及龙芯架构的内容：
先介绍一下龙芯架构的内容，然后开始写代码进行实践。
2.2.1 特权等级
龙芯架构中处理器核分为 4 个特权等级（Privilege LeVel，简称 PLV），分别是 PLV0~PLV3。所有特权等级中，PLV0 是具有最高权限的特权等级，也是唯一可以使用特权指令并访问所有特权资源的特权等级。
所有特权指令仅在 PLV0 特权等级下才能访问。仅有一个例外情况，当 CSR.MISC 中的 RPCNTL1、RPCNTL2、RPCNTL3 配置为 1 时，可以在 PLV1、PLV2、PLV3 特权等级下执行 CSRRD 指令读取性 能计数器。
2.2.2 虚实地址翻译模式
虚实地址翻译模式分为直接地址翻译模式 和映射地址翻译模式 。映射地址翻译模式分为直接映射地址翻译模式 （简称“直接映射模式”）和页表映射地址翻译模式 （页表映射模式）。
直接映射配置窗口（DMW0~DMW3），这一组寄存器参与完成直接映射地址翻译模式。
为 1 表示在特权等级 PLV0 下可以使用该窗口的配置进行直接映射地址翻译。
为 1 表示在特权等级 PLV1 下可以使用该窗口的配置进行直接映射地址翻译。
为 1 表示在特权等级 PLV2 下可以使用该窗口的配置进行直接映射地址翻译。
为 1 表示在特权等级 PLV3 下可以使用该窗口的配置进行直接映射地址翻译。
2.2.3 存储访问类型
龙芯架构下支持三种存储访问类型，分别是：一致可缓存（Coherent Cached，简 称 CC）、强序非缓存（Strongly-ordered UnCached，简称 SUC）和弱序非缓存（Weakly-ordered UnCached， 简称 WUC）。
当处理器核 MMU 处于映射地址翻译模式时，存储访问类型的确定分为两种情况。如果取指或 load/store 操作的地址落在某个直接映射配置窗口 上，那么该取指或 load/store 操作的存储访问类型由配置该窗口的 CSR 寄存器中的 MAT 域决定。如果取指或 load/store 只能通过页表完成映射 ，那么其存储访问类型由页表 项中的 MAT 域决定。MAT 域的值和存储访问类型之间的关系如下表所示：
龙芯架构参考手册卷一，2.1.7节到2.1.9节详细介绍龙芯架构的存储访问类型。
2.2.4 控制状态寄存器（CSR）
特权资源中非常重要的是控制状态寄存器，控制状态寄存器控制着系统的状态。控制状态寄存器拥有独立的空间，在龙芯架构参考手册中的第 7.1 节中有控制状态寄存器的地址及其名称。访问控制状态寄存器使用 csrrd 指令、csrwr 指令和 csrchg 指令。在后面遇到某一个控制状态寄存器时再展开讲述其内容。
2.2.5 LoongArch 汇编部分内容
2.2.6 内核运行环境确定性设置及传递启动参数
开始使用汇编语言了，就会使用到通用寄存器。龙芯架构的通用寄存器有 32 个，记为 r0 ~ r31。LA32 中每个寄存器为 32 位宽， LA64 中每个寄存器为 64 位宽。r0 的内容总是固定为 0，而其他寄存器在体系结构层面没有特殊功能。（ r1 算是一个例外，在 BL 指令中固定用作链接返回寄存器。）
虽然大多通用寄存器在体系结构层面没有特殊功能，但是我们使用的工具链符合 LoongArch ELF psABI 规范，该规范中对通用寄存器的使用进行了约定，约定如下：
龙芯架构的通用寄存器汇编中使用龙芯架构的通用寄存器时，使用 $r0 ~ $r31 这样的命名方式。为了方便通用寄存器的理解和使用，先用C语言的宏定义将寄存器名和别名关联起来：
Copy /* os-elephant-dev/include/regdef.h */
#ifndef _REGDEF_H
#define _REGDEF_H
#define zero $r0 /* 常量0 */
#define ra $r1 /* 返回地址 */
#define tp $r2
#define sp $r3 /* 栈指针 */
#define a0 $r4 /* 参数寄存器, a0/a1重用为v0/v1, 作为返回值 */
#define a1 $r5
#define a2 $r6
#define a3 $r7
#define a4 $r8
#define a5 $r9
#define a6 $r10
#define a7 $r11
#define t0 $r12 /* 临时寄存器, 调用者保存, 函数内直接使用 */
#define t1 $r13
#define t2 $r14
#define t3 $r15
#define t4 $r16
#define t5 $r17
#define t6 $r18
#define t7 $r19
#define t8 $r20
#define u0 $r21
#define fp $r22 /* 帧指针 */
#define s0 $r23 /* 静态寄存器, 子程序使用需要保存和恢复 */
#define s1 $r24
#define s2 $r25
#define s3 $r26
#define s4 $r27
#define s5 $r28
#define s6 $r29
#define s7 $r30
#define s8 $r31
#endif /* _ASM_REGDEF_H */ 所有的通用寄存器这样就使用 C 语言宏，将寄存器名和别名做了关联。接下来将马上要使用到的控制状态寄存器也用 C 语言宏表示出来。
Copy /* os-elephant-dev/include/loongarch.h */
#ifndef _LOONGARCH_H
#define _LOONGARCH_H
#define LONGSIZE 8
#define DMW_PABITS 48
#ifdef __ASSEMBLY__
#define _CONST64_(x) x
#else
#define _CONST64_(x) x ## L
#endif
/* Basic CSR registers */
#define LOONGARCH_CSR_CRMD 0x0 /* 当前模式信息 */
#define LOONGARCH_CSR_PRMD 0x1 /* 例外前模式信息 */
#define LOONGARCH_CSR_EUEN 0x2 /* 扩展部件使能 */
/* KSave registers */
#define LOONGARCH_CSR_KS0 0x30
#define LOONGARCH_CSR_KS1 0x31
#define LOONGARCH_CSR_KS2 0x32
#define LOONGARCH_CSR_KS3 0x33
#define LOONGARCH_CSR_KS4 0x34
#define LOONGARCH_CSR_KS5 0x35
#define LOONGARCH_CSR_KS6 0x36
#define LOONGARCH_CSR_KS7 0x37
#define LOONGARCH_CSR_KS8 0x38
/* Percpu-data base allocated KS3 statically */
#define PERCPU_BASE_KS LOONGARCH_CSR_KS3
/* Direct Map windows registers */
#define LOONGARCH_CSR_DMWIN0 0x180 /* 直接映射配置窗口0 */
#define LOONGARCH_CSR_DMWIN1 0x181 /* 直接映射配置窗口1 */
/* 直接映射配置窗口0/1的配置 */
#define CSR_DMW0_PLV0 _CONST64_(1 << 0)
#define CSR_DMW0_VSEG _CONST64_(0x8000)
#define CSR_DMW0_BASE (CSR_DMW0_VSEG << DMW_PABITS)
#define CSR_DMW0_INIT (CSR_DMW0_BASE | CSR_DMW0_PLV0)
#define CSR_DMW1_PLV0 _CONST64_(1 << 0)
#define CSR_DMW1_MAT _CONST64_(1 << 4)
#define CSR_DMW1_VSEG _CONST64_(0x9000)
#define CSR_DMW1_BASE (CSR_DMW1_VSEG << DMW_PABITS)
#define CSR_DMW1_INIT (CSR_DMW1_BASE | CSR_DMW1_MAT | CSR_DMW1_PLV0)
#endif /* _LOONGARCH_H */ 暂时用到的寄存器就已经表示完了，接下来开始编写启动设置寄存器的代码。编写 os-loongson/os-elephant-dev/boot/loongarch/head.S 文件：
Copy /* os-loongson/os-elephant-dev/boot/loongarch/head.S */
#include <regdef.h>
#include <loongarch.h>
#include <bootinfo.h>
.section ".head.text","ax"
.align 12
.global kernel_entry
kernel_entry:
/* Config direct window and set PG */
li.d t0, CSR_DMW0_INIT # UC, PLV0, 0x8000 xxxx xxxx xxxx
csrwr t0, LOONGARCH_CSR_DMWIN0
li.d t0, CSR_DMW1_INIT # CA, PLV0, 0x9000 xxxx xxxx xxxx
csrwr t0, LOONGARCH_CSR_DMWIN1
/* We might not get launched at the address the kernel is linked to,
so we jump there. */
la.abs t0, 0f
jr t0
0:
/* Enable PG */
li.w t0, 0xb0 # PLV=0, IE=0, PG=1
csrwr t0, LOONGARCH_CSR_CRMD
li.w t0, 0x04 # PLV=0, PIE=1, PWE=0
csrwr t0, LOONGARCH_CSR_PRMD
li.w t0, 0x00 # FPE=0, SXE=0, ASXE=0, BTE=0
csrwr t0, LOONGARCH_CSR_EUEN
la.pcrel t0, __bss_start # clear .bss
st.d zero, t0, 0
la.pcrel t1, __bss_stop
1:
addi.d t0, t0, LONGSIZE
st.d zero, t0, 0
bne t0, t1, 1b
la.pcrel t0, fw_arg0
st.d a0, t0, 0 # firmware arguments
la.pcrel t0, fw_arg1
st.d a1, t0, 0
la.pcrel t0, fw_arg2
st.d a2, t0, 0
/* KSave3 used for percpu base, initialized as 0 */
csrwr zero, PERCPU_BASE_KS
/* GPR21 used for percpu base (runtime), initialized as 0 */
move u0, zero
la.pcrel tp, init_thread_union
/* Set the SP after an empty pt_regs. */
li.d sp, (KERNEL_STACK_SIZE - PT_SIZE)
add.d sp, sp, tp
/* set_saved_sp sp, t0, t1 */
la.abs t0, kernelsp
st.d sp, t0, 0
bl init_all 上面用到的一些变量定义在 setup.c 或者链接脚本中，使用 bootinfo.h 文件向外部提供。
bootinfo.h 文件的内容如下：
Copy /* os-loongson/os-elephant-dev/include/bootinfo.h */
#ifndef _BOOTINFO_H
#define _BOOTINFO_H
#define KERNEL_STACK_SIZE 0x00004000 // 16K
#define PT_SIZE 328
#ifndef __ASSEMBLY__
extern unsigned long fw_arg0, fw_arg1, fw_arg2;
extern unsigned long kernelsp;
union thread_union {
unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE / sizeof(unsigned long)];
};
extern union thread_union init_thread_union;
extern unsigned long init_stack[KERNEL_STACK_SIZE / sizeof(unsigned long)];
#endif /* !__ASSEMBLY__ */
#endif /* _BOOTINFO_H */ setup.c 文件的内容如下：
Copy /* os-loongson/os-elephant-dev/boot/loongarch/setup.c */
#include <bootinfo.h>
unsigned long fw_arg0, fw_arg1, fw_arg2;
unsigned long kernelsp; 修改 kernel.ld 文件的内容如下：
Copy /* os-loongson/os-elephant-dev/script/kernel.ld */
ENTRY(init_all) /* 设置入口点 */
SECTIONS
{
. = 0x9000000000200000;
PROVIDE( _start = . );
.head.text : {
KEEP(*(.head.text))
}
.text : {
*(.text)
. = ALIGN(4096);
}
. = ALIGN(1 << 12);
.data : {
__start_init_task = .;
init_thread_union = .;
init_stack = .;
. = __start_init_task + 0x00004000;
*(.data)
*(.rodata)
. = ALIGN(8192);
}
. = ALIGN(1 << 12);
__bss_start = .;
.bss : {
*(.bss)
. = ALIGN(4096);
}
__bss_stop = .;
. = ALIGN(1 << 12);
PROVIDE( _end = . );
} 修改 makefile 文件：
Copy OBJS = $(BUILD_DIR)/head.o $(BUILD_DIR)/init.o $(BUILD_DIR)/setup.o
$(BUILD_DIR)/head.o: boot/loongarch/head.S
$(CC) $(AFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/setup.o: boot/loongarch/setup.c
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@
$(BUILD_DIR)/init.o: kernel/init.c
$(CC) $(CFLAGS) $< -o $@ 在 os-loongson/os-elephant_dev/ 目录下编译，然后到 os-loongson/qemu/ 目录下运行：
Copy os-loongson/os-elephant_dev$ make all
os-loongson/os-elephant_dev$ cd ../qemu/
os-loongson/qemu$ ./qemu-system-loongarch64 -m 4G -smp 1 -bios ./loongarch_bios_0310_debug.bin -vga none -nographic -kernel ../os-elephant-dev/build/kernel.elf 