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                                              |
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|$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。                                          |
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|$1       | $AT   |  是为编译器保留的寄存器                                             |
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|$2..$3   | V0..V1|  保存函数返回值用                                                   |
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|$4..$11  | A0..A7|  函数调用时传递参数，可以传递8个整型参数                            |
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|$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             |
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|$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       |
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|$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             |
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|$26..$27 | K0..K1|  保留给操作系统内核使用                                             |
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|$28      | GP    |  保存全局指针                                                       |
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|$29      | SP    |  保存堆栈指针                                                       |
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|$30      | FP或S8|  保存帧指针，也可以和S0..S7一样使用                                 |
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|$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。
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|      控制器           |        基地址       |
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|内存控制器(FLASH,SDRAM)|       0xB4000000    |
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|PCI控制器              |       0x014005000   |
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|DMA控制器              |       0xB4002000    |
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|中断控制器1            |       0xB0400000    |
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|中断控制器2            |       0xB1800000    |
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|AC97的                 |       0XB0000000    |
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|USB HOST               |       0XB0100000    |
-----------------------------------------------
|USB DEVICE             |       0XB0200000    |
-----------------------------------------------
|Ethernet MAC0          |       0XB1500000    |
-----------------------------------------------
|Ethernet MAC1          |       0XB1510000    |
-----------------------------------------------
|UART0                  |       0XB1100000    |
-----------------------------------------------
|UART3                  |       0XB1400000    |
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|GPIO2                  |       0XB1700000    |
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|系统控制(CLOCK,POWER)  |       0XB1900000    |
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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