OS - LA32R移植报告

这一部分由我与另一位同学共同完成。我主要完成的是SD卡部分的工作。仅此向Lab4就已探索出前三个Lab移植的他表示敬意…

指令集适配

这一部分只介绍较为关键的改动。有关Makefile中编译选项的修改，指令名称、格式变动引起的修改，在此不多加赘述。

例外有关

LA32R需要在状态控制寄存器（CSR）中，配置EENTRY和TLBRENTRY两项，分别对应普通例外的入口地址，以及TLB重填例外的入口地址。不难注意到，LA32R的TLB重填例外，是与其他例外分开处理的。

此外，由于触发 TLB 重填例外之后，处理器核将进入直接地址翻译模式，TLBRENTRY处所填入口地址应当是物理地址。EENTRY不受影F响。

配置两个入口的工作，也在start.S中进行：

       la      a0, exc_gen_entry  
       csrwr   a0, csr_eentry  

       la      a1, tlb_miss_entry  
       // 转换为物理地址
       li.w    a0, 0x1fffffff  
       and     a1, a1, a0  
       
       csrwr   a1, csr_tlbrentry

随后，是异常处理程序入口的获取。

这需要修改kern/entry.S：

• 在出现TLB有关异常时，LA32R核会直接由先前已经规定的TLB例外入口，进入对应的处理程序，我们在这里只需要关心其他例外的处理程序入口；
• 与先前由CP0.CAUSE获取例外编号类似，我们由CSR.ESTAT获取例外编号，进入对应的处理程序。

虚拟地址翻译

LA32R引入了 “直接地址翻译模式”与“映射地址翻译模式”。在我们的实验中，我们的虚拟地址与物理地址位数相同，前者的虚拟地址直接就是物理地址，后者的虚拟地址则是由MMU进行管理，与常见实现类似。

LA32R还提供了“直接映射地址翻译模式”，允许在映射地址翻译模式下，按照CSR.DMW0/1中配置好的地址翻译窗口，将某个虚拟地址不通过页表，直接翻译为某个物理地址。

对于某些地址，我们希望其不通过Cache，直接访问内存（如MMIO有关）。LA32R提供了一致可缓存、强序非缓存两种模式，粗浅理解就是可否通过缓存访问。

LA32R并没有体系结构约定的虚拟地址空间。我们决定沿用原有的地址空间设计。因此，我们需要借助直接映射地址翻译，进行原设计中kseg0、kseg1的配置，是否可缓存的规则也与先前设计一致。

这一部分的配置工作在start.S中，于跳转到la32r_init()前进行：

       // Configure KSEG0/1  
       li.w a0, 0x8000000a  
       csrwr a0, csr_dmw0  
       li.w a0, 0xa0000011  
       csrwr a0, csr_dmw1  
       
       /* jump to la32r_init */  
       b       la32r_init

此外，在start.S中，除了原有的禁用中断外，我们还需启用映射地址翻译模式：

       li.w    a0, 0xb0     // PLV = 0, ID = 0, DA = 0, PG = 1, DATF = DATM = 01 
       csrwr   a0, csr_crmd

LA32R亦对TLB/页表的表项结构产生了影响，大致可以归纳为以下两点：

• 引入PLV位，对访问权限进行控制；这需要在涉及页表操作时，对应设置权限位（pmap.c与env.c中涉及更改居多。大部分为PLV3，即用户态）
• 表项属性位置的变化。

TLB异常有关

正如前文所言，TLB重填的处理入口，在LA32R中是与普通异常独立的，这为我们的实现带来了便利。

1. tlb_out被弃用，tlb_invalidate()使用invtlb指令即可实现

• 原有设计，是去除指定asid与va的TLB项目
• 内存共享问题此处已被考虑，就是要去除这一被共享的TLB项
• 查询LA32R手册，得知其对应模式标志为0x6
• invtlb 0x6, a0, a1即可，$a0/1对应先前tlb_out参数中的asid/va。

2. tlb_asm.S内直接实现tlb_miss_entry中的重填逻辑。整体流程：

• 将处理过程中，要用到的寄存器原始内容保存进CSR
• 读取CSR中，一级页表地址
• 按照BADV，算出页目录索引
• 按页表索引，得出页目录项；检查之是否合法
• 合法，继续读取页表，将页表项存入TLB
• 不合法，则缺页，写两个空项进入TLB
• 处理完后，恢复寄存器

原有的TLB项对应页无效逻辑变化不大，此处不加赘述。

对应，kern/tlbex.c受到影响。

计时器

首先，要配置计时器的中断使能，需要配置CSR.ECFG。这在进程创建时(env.c)进行；在进程切换，根据Trapframe恢复现场时，时钟中断对应就会启用。

e->env_tf.csr_ecfg = ECFG_TIE;

其次，是计时器的控制，需要配置CSR.TCFG。实现在include/kclock.h中：

.macro RESET_KCLOCK
li.w t0, 0xfffd // Enable = 1, Periodic = 0, Else as the init value of clock
csrwr t0, csr_tcfg
.endm

LA32R提供了Periodic的计时器复位方法：在时钟中断发生后，计时器自动复位成CSR.TVAL中预设值。为了简化设计，我们选择MIPS中原有的计时器复位思路，即时钟中断发生后，由软件手动配置计时器。

最后，则是时钟中断的处理。在LA32R中，我们需要手动写CSR.TICLR寄存器，进行时钟中断的清除。这部分逻辑在genex.S处实现：

handle_int:    
	 // 判断是否为时钟中断；
	 // 与原有逻辑相似，
	 // 但现在从CSR.ESTAT中获取异常信息                                        
     csrrd   t0, csr_estat   
     andi    t1, t0, ESTAT_TI            
     bne     t1, zero, timer_irq           
 timer_irq:                                   
     li.w     t0,1                               
     csrwr    t0, csr_ticlr                    
     li.w      a0, 0 
     b       schedule                             
END(handle_int)

上下文保存

首先，我们需要修改Trapframe结构体的定义，使得移植后，我们仍能得知异常处理所需要的CSR信息：

• PRMD：出错时的当前状态；这主要是为了进程的创建，使得进程退出后能够正常让系统回到内核态
• BADV：出错的访存地址
• ESTAT：例外状态，旨在得知发生了什么异常
• ERA：异常处理后，返回的程序PC
• ECFG：旨在方便创建进程时，打开时钟中断

单独存储PRMD、BADV，而不是直接从CSR内读取，主要是为了处理异常的嵌套，单层异常的话，其实等价于此时CSR.PRMD与CSR.BADV中存储的值。

对应的，我们需要修改include/stackframe.h中的SAVE/RESTORE_ALL宏，更新指令为LA32R格式，并适应现在的Trapframe设计，使得上下文能够正常保存与恢复。

此外，在LA32R的寄存器定义下，发生了以下两个关键变动：

• $sp以及返回值寄存器的编号发生了变化；
• LA32R下，参数寄存器有5个，不再需要在栈帧中存放额外参数

这需要我们对设计这两个更改的地方进行修正。

SD卡驱动

这部分的工作，大体可以分为SD卡的初始化，以及SD卡的读写两个部分。

• 自然，我们需要规定需要访问的SD Host Controller寄存器的地址；本实现选择跟串口地址的定义放在一起。
• SD卡的初始化，本实现选择放在la32r_init()中。
• SD卡的核心交互逻辑，存储在kern/sd.c中。
• 对应有include/sd.h，规定了ADMA2描述符结构体adma2_desc_entry，SD Host Controller寄存器的访问宏SDREG()，以及向SD卡发指令操作的函数定义。

为方便表述，下称Host Controller为控制器。

初始化

这里主要分为三步：

• 配置控制器与SD卡的时钟；
• 配置控制器的一般/错误中断状态使能；
• 给SD卡发送指令，初始化SD卡。

配置时钟控制，通过配置控制器的Clock Control Register实现。

void sd_clk_init() {
	SDREG(MEGASOC_SD_CCR) = (
		0x00 << 8 | // 直接使用可用的基础频率
		0x1 << 0 // 启用控制器内部时钟
	);
	while (!(SDREG(MEGASOC_SD_CCR) & 0x0002)) {} // 等待控制器内部时钟稳定
	SDREG(MEGASOC_SD_CCR) |= 0x1 << 2; // 启动SD卡的时钟
}

在时钟配置完成后，我们才能对SD卡发送指令，进行初始化。

一般/错误中断状态使能，则是通过配置控制器的Normal/Error Interrupt Status Enable Register实现的。

void sd_intr_init() {
	SDREG(MEGASOC_SD_NISER) = (
		1 << 0 | // CMD done
		1 << 1 | // Transfer done
		1 << 3 // DMA intr
	);
	
	SDREG(MEGASOC_SD_EISER) = (
		1 << 0 | 1 << 1 | // CMD timeout/CRC
		1 << 4 | 1 << 5 | // DAT timeout/CRC
		1 << 9 // ADMA err
	);
}

对于NISER，我们只需要知道指令完成、数据发送完成（用于SD卡读写时）、DMA中断（DMA出错时有用）三个中断。而EISER，只需配置ADMA错误，控制器的CMD/DAT两条线的超时/CRC校验错误即可。

这两步完成后，即可按照手册中的初始化步骤，对SD卡自身进行初始化了。

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我们使用ADMA2方法进行SD卡的读写。本实现在SD卡初始化时，就对SD卡的传输方式就进行配置。这通过配置Host Control 1 Register实现。

SDREG_8(MEGASOC_SD_HC1R) = 0x2 << 3; // Setup ADMA2

在进行SD卡的读写前，我们还需要让SD卡进入传输状态。

• 在上面的初始化过程中，我们通过CMD3的返回值，得知了当前已插入SD卡的相对地址RCA；
• 我们需要通过发送CMD7，以这一RCA为参数，使得被插入的卡被选中，进入传输状态
• 只有在传输状态下，SD卡才能接收并执行CMD18/25两个读写指令，进行正常读写。
• 同样，本实现在sd_init()中就发送CMD7，简化SD卡读写逻辑的编写

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至此，整个SD卡的初始化流程就结束了。此后，我们即可调用SD卡的读写逻辑，对SD卡进行读写。

读写逻辑

整个读写逻辑，我们打包在sys_read/write_block()系统调用中。文件服务在需要进行读写时，直接调用syscall_(read/write)_block(secno, (dst/src), nsecs)，即可对SD卡进行读写。增加系统调用的操作在此不加赘述。

具体的读写逻辑，在kern/syscall_all.c中定义。读、写过程十分相近，大体可以分为以下步骤：

• 配置ADMA2标志符表，并将标志符表的物理地址，写入控制器的ADMA System Address寄存器，告知控制器标志符表的地址
• 配置控制器的Transfer Mode寄存器，为读/写操作做准备
• 配置控制器的块大小、块计数寄存器；
• 发送多块读/写指令（CMD18/25）

此处以读操作的实现为例，进行具体分析。

描述符表项的结构体定义如下：

typedef struct {
	uint16_t attribute;
	uint16_t length;
	uint32_t paddr;
} adma2_desc_entry;

int sys_read_block(u_int secno, void *dst, u_int nsecs) {
	// 初始化描述符表；各描述符表项需连续分布在一段地址空间上
	adma2_desc_entry adma2_dtable[512];
	int i;
	for (i = 0; i < nsecs; i++) {
		uint32_t vaddr = dst + (i * 512);
		uint32_t paddr = va2pa(curenv->env_pgdir, (u_long)vaddr); // 获取目标地址的物理地址；描述符表项的地址域，需要的是物理地址
		
		adma2_dtable[i].paddr = ((uint32_t)(paddr));
		adma2_dtable[i].length = 512; // 一块的大小
		
		adma2_dtable[i].attribute = 1 << 5 | // 配置表项为传输模式；此处涉及描述符表项的其他设计，此处略
									1 << 2 | // 出现错误时中断
									1 << 0; // 表示该表项合法
		
		if (i == nsecs - 1) {
			adma2_dtable[i].attribute |= 1 << 1; // 描述符表的最后一项，需要配置一个终止标记
		}
	}
	
	SDREG(MEGASOC_SD_TM) = 1 << 0 | // 启用DMA
	1 << 1 |// 启用块计数寄存器；配合CMD12使用
	0x1 << 2 | // 自动发送CMD12（停止传输）；这样，我们就只需在发送CMD18/25后，等待“传输完成”中断
	1 << 4 |// 数据方向为读
	1 << 5; // 多块数据操作

	// 将描述符表的物理地址告知控制器
	uint32_t dtable_paddr = PADDR(adma2_dtable);
	SDREG(MEGASOC_SD_ADMASAR_BASE) = ((uint16_t)(dtable_paddr & 0xffff));
	SDREG(MEGASOC_SD_ADMASAR_BASE + 0x2) = ((uint16_t)(dtable_paddr >> 16));

	// 配置块大小和块数
	SDREG(MEGASOC_SD_BLKSIZE) = 512;
	SDREG(MEGASOC_SD_BLKCNTR) = ((uint16_t) nsecs);

	// 发送读/写指令，等待其完成
	sd_send_cmd18(secno * 512); // CMD18/25传入的SD卡数据地址参数，是字节编址的，因此需要对参数做如此变换
	return 0;
}

至此，我们就完成了一个基本的SD卡驱动。