【转】MIPS32体系结构

前言
很久没和硬件打交道了，花了些时间来学习mips，确也收获了不少，拿出来和大家共享，其中会有理解有误或不完整的地方，还请大家积极指出，共同进步。

1、概述
au1500是amd公司生产的一款遵循MIPS32体系结构的SOC类的微处理器，属于RISC结构，我们采用的是主频为396（400）MHz的产品。pb1500是alchemy公司针对au1500cpu生产的一款开发板。

2、特点
au1500：32个通用寄存器（$0-$31），三个专用寄存器（hi,lo,pc），没有浮点运算的寄存器，浮点运算单元是用软件来模拟的。处理器内还集成了ac'97声卡，2个以太网控制器，usb控制器，2个uart控制器，静态存储控制器，动态存储控制器，EJTAG（用于调试）。

pb1500:板上安装了两组flash，共64M；SDRAM64M；2个ide接口，声卡I/O接口，USB接口，RJ45，LED显示，串口，显示器接口，一个PCI插槽，一个PCMCIA接口，LCD接口。

3、编程模型

3.1 指令
AU1500的指令兼容MIPS32指令集，每条指令占4字节，指令的边界对齐要求很严格。另外我在MIPS32的指令集中未找到LI,LA,MOVE，但是，在YAMON的原码中用的很多，不知道为什么？有篇资料讲了。
1）LI用于将一个立即数存入一个通用寄存器
2）LA用于将一个地址（通常是一个标签）存入一个通用寄存器
3）MOVE用于将一个寄存器的值存入另一个寄存器
知道为什么mips32中没有了，li,la,move指令是as汇编编译器增加的，分别对应在addiu,addiu,addu命令上,在反汇编的时候可以看到相应的改变。其余的指令均可以在MIPS32指令集的说明文档中找到详细说明。

CODE

3.2 寄存器
1）通用寄存器$0-$31
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| 寄存器 | 别名 | 主要用途 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$0 | | 值总是为0，可能主要用途是清空内存地址空间，以及做一些与或非 |
| | | 的操作，访问速度快。 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$1 | $AT | 是为编译器保留的寄存器 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$2..$3 | V0..V1| 保存函数返回值用 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$4..$11 | A0..A7| 函数调用时传递参数，可以传递8个整型参数 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$12..$15 | T0..T3| 临时寄存器，用于保存临时变量的值，也是用的最多的寄存器 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$16..$23 | S0-S7 | 他们的值在过程调用的时候保持不变，可以用于传递参数或者返回值 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$24..$25 | T8..T9| 临时寄存器，用于保存临时变量的值，也是用的最多的寄存器 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$26..$27 | K0..K1| 保留给操作系统内核使用 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$28 | GP | 保存全局指针 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$29 | SP | 保存堆栈指针 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$30 | FP或S8| 保存帧指针，也可以和S0..S7一样使用 |
-----------------------------------------------------------------------------------------
|$31 | RA | 保存返回地址 |
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2）专用寄存器
HI和LO主要用于地址转换使选择页面，PC是指令计数器。

3）控制寄存器
在au1500中有很多的控制寄存器，象串口、网卡、时钟、中断、PCI,内存、DMA等等的设置都是通过这些寄存器来完成的，这些寄存器的操作是通过内存中特定的地址空间来进行的，读或写这些地址空间就是读取或设置相应寄存器的值。
-----------------------------------------------
| 控制器 | 基地址 |
-----------------------------------------------
|内存控制器(FLASH,SDRAM)| 0xB4000000 |
-----------------------------------------------
|PCI控制器 | 0x014005000 |
-----------------------------------------------
|DMA控制器 | 0xB4002000 |
-----------------------------------------------
|中断控制器1 | 0xB0400000 |
-----------------------------------------------
|中断控制器2 | 0xB1800000 |
-----------------------------------------------
|AC97的 | 0XB0000000 |
-----------------------------------------------
|USB HOST | 0XB0100000 |
-----------------------------------------------
|USB DEVICE | 0XB0200000 |
-----------------------------------------------
|Ethernet MAC0 | 0XB1500000 |
-----------------------------------------------
|Ethernet MAC1 | 0XB1510000 |
-----------------------------------------------
|UART0 | 0XB1100000 |
-----------------------------------------------
|UART3 | 0XB1400000 |
-----------------------------------------------
|GPIO2 | 0XB1700000 |
-----------------------------------------------
|系统控制(CLOCK,POWER) | 0XB1900000 |
-----------------------------------------------

3.3 内存
内存分为静态存储（FLASH/ROM），动态存储（SDRAM,SYNCFLASH)。
AU1500的虚地址空间有4G,物理地址空间有512M。
内存的CSBA和CSMASK是在系统初始化的时候设定的。

虚拟地址空间 物理地址空间
|-------------|0xffffffff /\------------|-------------|0x1fffffff
| | | /|\ | bootzone |
| | | | | ---->0x1fc00000启动地址
| | | | | 32M flash1 |
| | | | | |
| kseg3 |通过MMU映射为物理地址使用| | | -----------0x1e000000
| | | | | bootzone |
| | | | | ---->0x1dc00000启动地址
| | | | | 32M flash0 |
| | | | | |
|-------------|0xe0000000 | | |-------------|0x1c000000
| | | | | |
| kseg2 |通过MMU映射为物理地址使用| | | |
| | | | | |
| |0xc0000000 | | | |
|-------------|0xbfffffff------------->| | |-------------|0x04000000
| | | | |
| kseg1 |直接对应为物理地址使用 | | 64M SDRAM |
| | | | |
|-------------|0xa0000000--------------------------->|-------------|0x00000000
| |0x9fffffff--------------------->| /|\
| | |
| kseg0 |直接对应为物理地址使用 |
| | |
|-------------|0x80000000--------------------------->|
| |
| kuseg |映射为物理地址使用
| |
|-------------|0x00000000

3.4 启动
PB1500启动所选择的FLASH可以通过开关S13来选择两组中的一组，分别对应物理基地址0x1fc00000和0x1dc00000.
系统加电的时候cpu就从此地址处开始读入代码执行。此地址也就是系统异常处理向量表的第一项（reset）。

3、bootloader
PB1500自带一个引导程序YAMON，同时YAMON还完成一些系统配置和程序调试的功能。再启动过程中主要涉及的yamon的几个主要文件依次为：reset.S-->reset_pb1500.S-->init.S-->main.c-->shell_init.c
下面对yamon的启动流程做一个简要的说明：（详细的注释可以查看相关文件的注释）
0xbfc00000 系统的第一条指令，无他，和许多系统的一样，跳！b reset_au1xxx，跳到了标号reset_au1xxx促 执行，此标号处是个include指令，系统随即进入了reser_pb1500中，那reset.S作了什么?原来reset设置了系统的一些参数和一些入口地址，象异常处理，中断，shell函数入口等。以便下面的程序执行时出现异常有地方可去，不至于莫名其妙的死掉。reset_pb1500.S完成了系统的大部分初始化工作，设置寄存器，初始化cpu，初始化SDRAM，初始化FLASH等，然后回到reset.S，reset.S剩下的代码没几行，主要是根据cpu的endian mode来决定接下来跳转的函数，_reset_handler_be/_reset_handler_le，这两个标号再连接脚本中定义，分别指向两种mode下的入口函数的地址，0xbfc90000/0xbfc10000，此地址也就是函数__reset_handler_end函数的地址，这个函数位于init.s文件中，此文件所作的工作是初始化和pb1500以及yamon运行环境相关的一些环境，包括cpu,cache,mem,stack,uart等，然后调用了系统的第一个c函数，终于熬出苦海了:-)，main.c函数还是在设置系统环境，不知道哪里有这么多的东西要设置，最后调用shell_setup函数，进入shell_init.c文件，此文件准备了shell的环境，终于我们期待已久的提示符 YAMON>出现了。

下面按指令的顺序开始介绍：
0xbfc00000 jump to reset_au1x00
3个nop
板子id
nop
1个测试数据
0xbfc00400 异常处理的入口，进入中断或死循环
0xbfc00480 EJTAG的处理
0xbfc00500 shell函数的入口，22个表项
0xbfc00558 reset_pb1x00
设置cpu的endian mode
设置cp0的状态
失效watchpoint
失效性能计数器
设置EJTAG寄存器
设置CAUSE寄存器
初始化cache,并转到cachable的内存中执行指令从kseg1-->kseg0
初始化TLB
设置cpu pll频率
设置系统总线
设置AUX PLL频率
开始32KHz的震荡？
初始化静态存储器
设置外设
探测reset的原因(硬件，睡眠，运行期）
初始化动态存储器
初始化外设
到init.S中

init.S
初始化cp0-cause寄存器
探测板子
初始化串口
显示cpu信息
初始化cpu
初始化cache
内存测试
拷贝代码到ram中，并转到ram中继续执行
拷贝数据
设置堆栈
设置系统信息和cache
调用c_entry,进入main.c
main.c
初始化平台相关的参数
初始化模块
参数优化
设置loader的参数
shell_setup

shell_init.c
加载shell的函数
加载shell命令
进入shell循环:shell():YAMON>

yamon对于内核加载的完成步骤：
使用load命令
load命令调用loader函数
loader函数从网络上通过tftp获取内核映象
将映象存储在shell_load_addr全局变量中
设置shell_load_addr_valid全局变量为true
使用go命令
go命令将shell_load_addr存储在cp0-epc寄存器中
用break命令产生一个exception
系统转到shell_load_addr去执行异常处理函数，也就是我们的内核的入口