3 完善输出功能
到目前为止，已经进入到内核中，实现了一个简单的串口输出功能，可以打印字符串。不过上一章是为了演示进入内核后有所输出，所以为了快速看到运行效果，实现的简单。本章会完善串口驱动并实现 printk 函数，以方便打印。
3.1 串口驱动
龙芯 3A5000 处理器使用的串口在寄存器与功能上兼容 NS16550A，有关串口的详细信息查看官方文档《龙芯3A5000_3B5000处理器寄存器使用手册》的 15.1 节。
在微机原理中，外设通过控制器访问，控制器常见的有控制寄存器、数据寄存器和状态寄存器。串口设备作为一个外设，操作系统操作串口设备控制器对其进行设置和访问，这些外设控制器的寄存器有时有称为端口。关于端口的编址之前已经提到过，龙芯 3A5000 使用的是统一编址。统一编址中对端口的访问就是直接访存。这里首先实现对端口的访问函数，实现中直接访问内存，代码如下：
/* os-loongson/os-elephant-dev/include/io.h */
#ifndef _IO_H
#define _IO_H
#include <stdint.h> // 声明 [u]int8[16,32,64]_t
static inline uint8_t __raw_readb(const volatile void *addr)
{
return *(const volatile uint8_t *)addr;
}
static inline uint16_t __raw_readw(const volatile void *addr)
{
return *(const volatile uint16_t *)addr;
}
static inline uint32_t __raw_readl(const volatile void *addr)
{
return *(const volatile uint32_t *)addr;
}
static inline uint64_t __raw_readq(const volatile void *addr)
{
return *(const volatile uint64_t *)addr;
}
static inline void __raw_writeb(uint8_t value, volatile void *addr)
{
*(volatile uint8_t *)addr = value;
}
static inline void __raw_writew(uint16_t value, volatile void *addr)
{
*(volatile uint16_t *)addr = value;
}
static inline void __raw_writel(uint32_t value, volatile void *addr)
{
*(volatile uint32_t *)addr = value;
}
static inline void __raw_writeq(uint64_t value, volatile void *addr)
{
*(volatile uint64_t *)addr = value;
}
#ifndef readb
#define readb readb
static inline uint8_t readb(const volatile void *addr)
{
uint8_t val;
val = __raw_readb((void *)addr);
return val;
}
#endif
#if !defined(inb) && !defined(_inb)
#define _inb _inb
static inline uint8_t _inb(unsigned long addr)
{
uint8_t val;
val = __raw_readb((void *)addr);
return val;
}
#endif
#if !defined(inw) && !defined(_inw)
#define _inw _inw
static inline uint16_t _inw(unsigned long addr)
{
uint16_t val;
val = __raw_readw((void *)addr);
return val;
}
#endif
#if !defined(inl) && !defined(_inl)
#define _inl _inl
static inline uint32_t _inl(unsigned long addr)
{
uint32_t val;
val = __raw_readl((void *)addr);
return val;
}
#endif
#if !defined(outb) && !defined(_outb)
#define _outb _outb
static inline void _outb(uint8_t value, unsigned long addr)
{
__raw_writeb(value, (void *)addr);
}
#endif
#if !defined(outw) && !defined(_outw)
#define _outw _outw
static inline void _outw(uint16_t value, unsigned long addr)
{
__raw_writew(value, (void *)addr);
}
#endif
#if !defined(outl) && !defined(_outl)
#define _outl _outl
static inline void _outl(uint32_t value, unsigned long addr)
{
__raw_writel(value, (void *)addr);
}
#endif
#ifndef inb
#define inb _inb
#endif
#ifndef inw
#define inw _inw
#endif
#ifndef inl
#define inl _inl
#endif
#ifndef outb
#define outb _outb
#endif
#ifndef outw
#define outw _outw
#endif
#ifndef outl
#define outl _outl
#endif
#endif /* _IO_H */完成端口的访问函数后，实现串口驱动，代码如下：
/* os-loongson/os-elephant-dev/include/ns16550a.h */
#ifndef _NS16550A_H
#define _NS16550A_H
#include <stdint.h>
#define UART_BASE_ADDR 0x1fe001e0
/* 串口寄存器偏移地址 */
#define UART_RX 0 // 接收数据寄存器
#define UART_TX 0 // 发送数据寄存器
#define UART_IER 1 // 中断使能寄存器
#define UART_IIR 2 // 中断状态寄存器
#define UART_LCR 3 // 线路控制寄存器
#define UART_MCR 4 // 调制解调器控制寄存器
#define UART_LSR 5 // 线路状态寄存器
#define UART_MSR 6 // 调制解调器状态寄存器
#define UART_SR 7 // Scratch Register
#define UART_DIV_LATCH_LOW 0 // 分频锁存器1
#define UART_DIV_LATCH_HIGH 1 // 分频锁存器2
/* 线路控制寄存器 (LCR) */
#define UART_LCR_DLAB 0x80 // Divisor Latch Bit
/* 线路状态寄存器 (LSR) */
#define UART_LSR_DR 0x01 // Data Ready
#define UART_LSR_THRE 0x20 // Transmit Holding Register Empty
/* 初始化串口设备 */
void serial_ns16550a_init(uint32_t baud_rate);
/* 发送一个字符 */
void serial_ns16550a_putc(char c);
/* 接收一个字符 */
char serial_ns16550a_getc(void);
/* 发送一个字符串 */
void serial_ns16550a_puts(char *str);
void put_str(char *str);
#endif /* _NS16550A_H *//* os-loongson/os-elephant-dev/device/ns16550a.c */
#include <ns16550a.h>
#include <io.h>
/* 波特率计算公式：Baud = Clock / (16 * Divisor) */
uint16_t divisor = 0; // 用于存储波特率分频系数
/* 初始化串口设备 */
static void real_serial_ns16550a_init(uint64_t base_addr, uint32_t baud_rate)
{
uint16_t divisor_value = 0;
uint8_t lcr_value = 0;
/* 计算波特率分频系数 */
divisor_value = 115200 / baud_rate;
divisor = divisor_value;
/* 禁用中断 */
outb(0x00, base_addr + UART_IER);
/* 设置波特率 */
lcr_value = inb(base_addr + UART_LCR);
outb(lcr_value | UART_LCR_DLAB, base_addr + UART_LCR);
outb(divisor_value & 0xff, base_addr + UART_DIV_LATCH_LOW);
outb((divisor_value >> 8) & 0xff, base_addr + UART_DIV_LATCH_HIGH);
outb(lcr_value, base_addr + UART_LCR);
/* 设置数据位、停止位、校验位等参数 */
outb(0x03, base_addr + UART_LCR); // 8 数据位，1 停止位，无校验
outb(0xc7, base_addr + UART_MCR); // 打开 DTR、RTS 和 OUT2 信号
/* 清空串口缓冲区 */
while (inb(base_addr + UART_LSR) & UART_LSR_DR)
inb(base_addr + UART_RX);
}
/* 发送一个字符 */
static void real_serial_ns16550a_putc(uint64_t base_addr, char c)
{
while ((inb(base_addr + UART_LSR) & UART_LSR_THRE) == 0)
; // 等待发送缓冲区为空
outb(c, base_addr + UART_TX);
}
/* 接收一个字符 */
static char real_serial_ns16550a_getc(uint64_t base_addr)
{
while ((inb(base_addr + UART_LSR) & UART_LSR_DR) == 0)
; // 等待接收缓冲区非空
return inb(base_addr + UART_RX);
}
/* 初始化串口设备 */
void serial_ns16550a_init(uint32_t baud_rate)
{
real_serial_ns16550a_init(UART_BASE_ADDR, baud_rate);
}
void serial_ns16550a_putc(char c)
{
real_serial_ns16550a_putc(UART_BASE_ADDR, c);
}
char serial_ns16550a_getc(void)
{
return real_serial_ns16550a_getc(UART_BASE_ADDR);
}
void serial_ns16550a_puts(char *str)
{
char *ch = str;
while (*ch != '\0') {
serial_ns16550a_putc(*ch);
ch++;
}
}
void put_str(char *str)
{
serial_ns16550a_puts(str);
}串口驱动中包含了对串口的初始化，以及接收和发送字符。之前使用的并不规范，因为没有对串口进行初始化就开始使用，所以在 init_all() 函数中首先对串口进行初始化。在字符输出的基础之上封装了字符串的输出，之后输出字符串就可以使用 put_str() 函数。初始化函数的调用示例如下：
/* os-loongson/os-elephant-dev/kernel/init.c */
void init_all()
{
#ifdef CONFIG_LOONGARCH64
serial_ns16550a_init(9600);
put_str("hello os-loongson\n");
#endif
put_str("init_all\n");
while(1);
// 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
}3.2 printk函数
主要解决编译问题，描述提供思路，具体问题具体分析。
首先实现字符串处理函数，这里直接使用原 os-elephant-dev 的文件就可以，即 lib/string.c。为了简单起见，将该文件中的assert函数注释掉，然后调整该文件的头文件部分。调整完之后在 makefile 文件中加入编译 string.c。
#include "string.h"
#ifdef CONFIG_LOONGARCH64
#include "stdint.h"
#else
#include "global.h"
#include "assert.h"
#endif有关可变参数的宏这里要做些修改，下面给出正确的写法，直接使用内建函数：
#define va_start(v, l) __builtin_va_start(v, l)
#define va_end(v) __builtin_va_end(v)
#define va_arg(v, T) __builtin_va_arg(v, T)然后修改有关可变参数宏的代码，相关文件有 lib/kernel/stdio-kernel.c 和 lib/stdio.c。
/* lib/kernel/stdio-kernel.c */
#ifndef CONFIG_LOONGARCH64
#define va_start(args, first_fix) args = (va_list)&first_fix
#define va_end(args) args = NULL
#else
#define va_start(v, l) __builtin_va_start(v, l)
#define va_end(v) __builtin_va_end(v)
#endi/* lib/stdio.c */
#ifndef CONFIG_LOONGARCH64
#define va_start(ap, v) ap = (va_list)&v // 把ap指向第一个固定参数v
#define va_arg(ap, t) *((t*)(ap += 4)) // ap指向下一个参数并返回其值
#define va_end(ap) ap = NULL // 清除ap
#else
#define va_start(v, l) __builtin_va_start(v, l)
#define va_end(v) __builtin_va_end(v)
#define va_arg(v, T) __builtin_va_arg(v, T)
#endi两个文件一样要调整头文件部分：
/* lib/kernel/stdio-kernel.c */
#include "stdio-kernel.h"
#include "stdio.h"
#ifndef CONFIG_LOONGARCH64
#include "print.h"
#include "console.h"
#include "global.h"
#else
#include <ns16550a.h>
#endif/* lib/stdio.c */
#include "stdio.h"
#include "string.h"
#ifndef CONFIG_LOONGARCH64
#include "interrupt.h"
#include "global.h"
#include "syscall.h"
#include "print.h"
#else
#include "ns16550a.h"
#endif然后在 makefile 文件中加入 lib/kernel/stdio-kernel.c 和 lib/stdio.c 的编译命令。
最后在 init_all 函数中进行测试：
/* kernel/init.c */
#include "stdio-kernel.h" // 添加函数声明
void init_all()
{
char str[] = "os-loongson";
int a = 1, b = 16;
#ifdef CONFIG_LOONGARCH64
serial_ns16550a_init(9600);
put_str("hello os-loongson\n");
#endif
put_str("init_all\n");
printk("hello %s-%c%d.%d\n", str, 'v', 0, a);
printk("init_all: 0x%x\n", b);
while(1);
// 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
}运行截图：
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