supervisor-la32r：LoongArch 32 Reduced 监控程序

介绍

监控程序分为两个部分，Kernel 和 Term。其中 Kernel 使用 LoongArch 32 Reduced 汇编语言编写，运行在学生实现的 CPU 中，用于管理硬件资源；Term 是上位机程序，使用 Python 语言编写，有基于命令行的用户界面，达到与用户交互的目的。Kernel 和 Term 直接通过串口通信，即用户在 Term 界面中输入的命令、代码经过 Term 处理后，通过串口传输给 Kernel 程序；反过来，Kernel 输出的信息也会通过串口传输到 Term，并展示给用户。

Kernel

Kernel 使用汇编语言编写，使用到的指令均符合 LoongArch 32 Reduced 规范。Kernel 提供了三种不同的版本，以适应不同的档次的 CPU 实现。它们分别是：第一档为基础版本，直接基本的 I/O 和命令执行功能，不依赖异常、中断等处理器特征，适合于最简单的 CPU 实现；第二档支持中断，使用中断方式完成串口的 I/O 功能，需要处理器实现中断处理机制；第三档在第二档基础上进一步增加了 TLB 的应用，要求处理器支持基于 TLB 的内存映射，更加接近于操作系统对处理器的需求。

为了在硬件上运行 Kernel 程序，我们首先要对 Kernel 的汇编代码进行编译。编译时需要龙芯提供的 LoongArch 32 Reduced 工具链。将下载的压缩包解压到任意目录后，设置环境变量 GCCPREFIX 以便 make 工具找到编译器，例如：

export GCCPREFIX=/usr/local/loongarch32r-linux-gnusf/bin/loongarch32r-linux-gnusf-

下面是编译监控程序的过程。在 kernel 文件夹下面，有汇编代码和 Makefile 文件，我们可以使用 make 工具编译 Kernel 程序。

假设当前目录为 kernel，目标版本为基础版本，在终端中运行命令

make

即可编译基础版本的监控程序。如果顺利结束，将生成 kernel.elf 和 kernel.bin 文件。要在模拟器中运行它，可以使用命令

make sim

它会在 QEMU 中启动监控程序，并等待 Term 程序连接。本文后续章节介绍了如何使用 Term 连接模拟器。

若要在开发板上运行 kernel，使用开发板提供的工具，将 kernel.bin 写入内存 0 地址（物理地址）位置，并让处理器复位从 0x8000000 地址（LoongArch 32 Reduced 中对应物理地址为 0 的虚地址）处开始执行，Kernel 就运行起来了。

Kernel 运行后会先通过串口输出版本号，该功能可作为检验其正常运行的标志。之后 Kernel 将等待 Term 从串口发来的命令，关于 Term 的使用将在后续章节描述。

接下来我们分别说明三个档次的监控程序对于硬件的要求，及简要的设计思想。

基础版本

基础版本的 Kernel 共使用了 17 条不同的指令，它们是：

1. addi.w
2. andi
3. b
4. beq
5. bl
6. bne
7. csrwr
8. jirl
9. ld.b
10. ld.w
11. lu12i.w
12. or
13. ori
14. slli.w
15. srli.w
16. st.b
17. st.w

根据 LoongArch 32 Reduced 规范正确实现这些指令后，程序才能正常工作。

监控程序支持三种启动方式：

1. 监控程序被加载到物理地址 0x1c000000。处理器处于直接地址翻译模式，监控程序从 0x1c000000 地址开始执行。
2. 监控程序被加载到物理地址 0x00000000。处理器处于直接地址翻译模式，监控程序从 0x00000000 地址开始执行。
3. 监控程序被加载到物理地址 0x00000000，处理器处于映射地址翻译模式，且 0x80000000 被映射到 0x00000000。监控程序从 0x80000000 地址开始执行。

无论哪种启动方式，监控程序在启动时，会配置 CSR.DMW0、CSR.DMW1 和 CSR.CRMD，并进入映射地址翻译模式。具体地，监控程序会按照下列内存映射来配置 CSR.DMW0 和 CSR.DMW1：

1. 0x80000000-0x9FFFFFFF: 映射到 0x00000000-0x1FFFFFFF，访问类型为一致可缓存，对应 CSR.DMW0=0x80000011
2. 0xA0000000-0xBFFFFFFF: 映射到 0x00000000-0x1FFFFFFF，访问类型为强序非缓存，对应 CSR.DMW1=0xA0000001

监控程序使用了 8 MB 的内存空间，其中约 1 MB 由 Kernel 使用，剩下的空间留给用户程序。此外，为了支持串口通信，还设置了一个内存以外的地址区域，用于串口收发。具体内存地址的分配方法如下表所示：

虚地址区间	说明
0x80000000-0x800FFFFF	监控程序代码
0x80100000-0x803FFFFF	用户代码空间
0x80400000-0x807EFFFF	用户数据空间
0x807F0000-0x807FFFFF	监控程序数据
0xBFE001E0-0xBFE001E8	串口数据及状态

串口控制器访问的代码位于 kern/utils.S，其寄存器定义与 UART 16550 一致。串口的物理地址为 0x1FE001E0。

Kernel 的入口地址为 0x80000000，对应汇编代码 kern/init.S 中的 START: 标签。在完成必要的初始化流程后，Kernel 输出版本信息，随后进入 shell 线程，与用户交互。shell 线程会等待串口输入，执行输入的命令，并通过串口返回结果，如此往复运行。

当收到启动用户程序的命令后，用户线程代替 shell 线程的活动。用户程序的寄存器，保存在从 0x807F0000 到 0x807F007B 的连续 124 字节中，依次对应 $r1 到 $r31 用户寄存器，每次启动用户程序时从上述地址装载寄存器值，用户程序运行结束后保存到上述地址。

因为监控程序会把指令写入内存，然后跳转到内存上执行指令，所以如果实现了指令和数据缓存，需要添加指令来保证指令缓存可以得到内存中新写入的指令。具体地，有两种方法：

1. 使用 ibar 指令，可以在编译时指定 EN_IBAR=y 来打开。
2. 使用 cacop 指令，可以在编译时指定 EN_CACOP=y 来打开。

进阶一：中断和异常支持

作为扩展功能之一，Kernel 支持中断方式的 I/O，和 Syscall 功能。要启用这一功能，编译时的命令变为：

make EN_INT=y

这一编译选项，会使得代码编译时增加宏定义 ENABLE_INT，从而使能中断相关的代码。

为支持中断和异常，CPU 要额外实现以下指令

1. csrrd
2. csrwr
3. ertn
4. syscall

此外还需要实现 CSR 寄存器的部分字段：

1. CSR.EENTRY：异常入口地址
2. CSR.ESTAT：Ecode（异常类型）
3. CSR.ERA：异常返回地址
4. CSR.ECFG：LIE（使能串口中断，LIE[3]，复位值为 0）
5. CSR.PRMD：PIE
6. CSR.CRMD：IE（全局中断使能，复位值为 0）
7. CSR.SAVE0

CSR 寄存器字段功能定义参见 LoongArch 32 Reduced 特权态规范（在参考文献中）。

进阶一不涉及特权态切换，所有操作都在 PLV0 上进行。

监控程序实现了简单的线程调度，系统中只有两个线程：

1. thread0：idle，响应串口中断（CSR.CRMD.IE=1，CSR.ECFG.LIE[3]=1）
2. thread1：user/shell，不响应中断（CSR.CRMD.IE=0，CSR.ECFG.LIE[3]=0）

启动时，监控程序会运行 thread1。thread1 会尝试从串口读取数据，如果发现没有数据可以读取，就会调用 wait 系统调用，此时监控程序会调度到 thread0。thread0 打开了串口中断，因此当串口上有数据可以读取的时候，监控程序会响应中断，调度到 thread1，thread1 就可以从串口读取数据。

监控程序对于异常、中断的使用方式如下：

• 异常入口地址设置为 EXCEPTIONHANDLER，只考虑两种异常：
  • 串口硬件中断：中断号为 3，目的是为了唤醒 thread1(user/shell) 线程。具体地，它仅在 thread0(idle) 线程中打开。
  • 系统调用：支持两个系统调用：wait 和 putc。当 shell 线程调用 wait 系统调用时，CPU 控制权转交给 thread0(idle) 线程。当 shell 线程调用 putc 系统调用时，会向串口发送 a0 寄存器的低八位。
• 异常帧保存 31 个通用寄存器及 CSR.ECFG、CSR.ERA 和 CSR.PRMD 三个 CSR。
• 禁止发生嵌套异常。
• 当发生不能处理的异常时，出现严重错误，终止当前任务，自行重启。并且发送错误信号 0x80 提醒 Term。

进阶二：TLB 支持

在支持异常处理的基础上，可以进一步使能 TLB 支持，从而实现虚实地址映射。要启用这一功能，编译时的命令变为：

make EN_INT=y EN_TLB=y

CPU 要额外实现以下指令

1. tlbrd
2. tlbfill
3. invtlb

此外还需要实现 CSR：

1. CSR.TLBRENTRY
2. CSR.SAVE0
3. CSR.SAVE1
4. CSR.BADV
5. CSR.TLBELO0
6. CSR.TLBELO1

以及 TLB Refill 异常，其中 Refill 异常入口地址为 TLBREFILL，与其它异常的入口地址不同。

为了简化，虽然 TLB 可以支持灵活的虚实地址转换，监控程序只实现了简单的线性映射：

• va[0x00000000, 0x002FFFFF] = pa[0x00100000, 0x003FFFFF] 对应用户代码空间
• va[0x7FC10000, 0x7FFFFFFF] = pa[0x00400000, 0x007EFFFF] 对应用户数据空间

监控程序为这两个区间内的每个页保存了一个对应的 EntryLo 项，并连续地保存在 PTECODE 和 PTESTACK 中。在处理 TLB Refill 异常的时候，监控程序会找到对应的 EntryLo0 和 EntryLo1 取值，然后用 tlbfill 指令写入随机 TLB 表项。

此时用户栈的地址初始化为 0x80000000。

虽然使用了 TLB，但是没有进行特权态的切换。

Term

Term 程序运行在实验者的电脑上，提供监控程序和人交互的界面。Term 支持 7 种命令，它们分别是

• R：按照 $r1 至 $r31 的顺序返回用户程序寄存器值。
• D：显示从指定地址开始的一段内存区域中的数据。
• A：用户输入汇编指令或者数据，并放置到指定地址上。输入行只有数值时视为数据，否则为指令。
• F：从文件读入汇编指令或者数据，并放置到指定地址上，格式与 A 命令相同。
• U：从指定地址读取一定长度的数据，并显示反汇编结果。
• G：执行指定地址的用户程序。
• T：查看指定的 TLB 条目。本功能仅在 Kernel 支持 TLB 时有效。
• Q：退出 Term

利用这些命令，实验者可以输入一段汇编程序，检查数据是否正确写入，并让程序在处理器上运行验证。

Term 程序位于 term 文件夹中，可执行文件为 term.py。对于本地的 Thinpad，运行程序时用 -s 选项指定串口。例如：

python term.py -s COM3 或者 python term.py -s /dev/ttyACM0（串口名称根据实际情况修改）

连接远程实验平台的 Thinpad，或者 QEMU 模拟器时，使用 -t 选项指定 IP 和端口。例如：

python term.py -t 127.0.0.1:6666

测试程序

监控程序附带了几个测试程序，代码见 kern/test.S。我们可以通过命令

make show-utest

来查看测试程序入口地址。记下这些地址，并在 Term 中使用 G 命令运行它们。

用户程序编写

根据监控程序设计，用户程序的代码区为 0x80100000-0x803FFFFF，实验时需要把用户程序写入这一区域。用户程序的最后需要以 jr $r1 结束，从而保证正确返回监控程序。

在输入用户程序的过程中，既可以用汇编指令，也可以直接写 16 进制的数据（机器码）。空行表示输入结束。

以下是一次输入用户程序并运行的过程演示：

MONITOR for LA32R - initialized.
>> a
>>addr: 0x80100000
one instruction per line, empty line to end.
[0x80100000] ori $r4,$r0,5
[0x80100004] xor $r12,$r12,$r12
[0x80100008] xor $r13,$r13,$r13
[0x8010000c] loop:
[0x8010000c] add.w $r13,$r13,$r12
[0x80100010] addi.w $r12,$r12,1
[0x80100014] bne $r4,$r12,loop
[0x80100018] jr $r1
[0x8010001c] 
>> u
>>addr: 0x80100000
>>num: 64
0x80100000: ori $r4,$r0,0x5
0x80100004: xor $r12,$r12,$r12
0x80100008: xor $r13,$r13,$r13
0x8010000c: add.w       $r13,$r13,$r12
0x80100010: addi.w      $r12,$r12,1(0x1)
0x80100014: bne $r4,$r12,-8(0x3fff8) # 0x8010000c
0x80100018: jirl        $r0,$r1,0
0x8010001c: 0x00000000
0x80100020: 0x00000000
0x80100024: 0x00000000
0x80100028: 0x00000000
0x8010002c: 0x00000000
0x80100030: 0x00000000
0x80100034: 0x00000000
0x80100038: 0x00000000
0x8010003c: 0x00000000
>> g
>>addr: 0x80100000

elapsed time: 0.000s
>> r
R1 (ra)    = 0x807f0000
R2 (tp)    = 0x00000000
R3 (sp)    = 0x807f0000
R4 (a0)    = 0x00000005
R5 (a1)    = 0x00000000
R6 (a2)    = 0x00000000
R7 (a3)    = 0x00000000
R8 (a4)    = 0x00000000
R9 (a5)    = 0x00000000
R10(a6)    = 0x00000000
R11(a7)    = 0x00000000
R12(t0)    = 0x00000005
R13(t1)    = 0x0000000a
R14(t2)    = 0x00000000
R15(t3)    = 0x00000000
R16(t4)    = 0x00000000
R17(t5)    = 0x00000000
R18(t6)    = 0x00000000
R19(t7)    = 0x00000000
R20(t8)    = 0x00000000
R21(x)     = 0x00000000
R22(fp)    = 0x807f0000
R23(s0)    = 0x00000000
R24(s1)    = 0x00000000
R25(s2)    = 0x00000000
R26(s3)    = 0x00000000
R27(s4)    = 0x00000000
R28(s5)    = 0x00000000
R29(s6)    = 0x00000000
R30(s7)    = 0x00000000
R31(s8)    = 0x00000000
>> q

当处理器和 Kernel 支持异常功能时（即上文所述 EN_INT=y），用户还可以用 Syscall 的方式打印字符。打印字符的系统调用号为 30。使用时，用户把调用号保存在 a7($r11) 寄存器，打印字符参数保存在 a0($r4) 寄存器，并执行 syscall 指令，a0($r4) 寄存器的低八位将作为字符打印。例如：

li.w $r11, 30            # 系统调用号
li.w $r4, 0x4F           # 'O'
syscall 0

li.w $r4, 0x4B           # 'K'
syscall 0
jr $r1

参考文献

• LoongArch 32 Reduced 指令集标准

项目作者

• 初始版本：韦毅龙，李成杰，孟子焯
• 后续维护：张宇翔，董豪宇
• 移植到 LoongArch 32 Reduced：陈嘉杰