Linux SuperH (SH) 架构技术指南：Store Queue 存储队列、寄存器组、新板卡移植与 Machine/总线接口

Linux SuperH (SH) 架构技术指南：Store Queue 存储队列、寄存器组、新板卡移植与 Machine/总线接口

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本文基于 Linux 内核仓库中的 SuperH Interfaces Guide 及其 toctree 关联的 DeviceTree 启动说明、新板卡移植指南、寄存器组使用说明，并结合 SH-4 Store Queue 管理模块、Dreamcast AICA RTC 驱动、SH-X3 ILSEL 中断管理 与 Maple 总线核心驱动 的实际源码进行展开。读完本文后，你将掌握 SH-4 存储队列（Store Queue）的 remap/flush 完整 API 及底层实现机制、SH-3/SH-4 寄存器组（SR.RB banking）在内核中的具体用途、向 Linux SH 移植新板卡的完整步骤（目录结构、Kconfig、defconfig 与构建命令），以及 Dreamcast Maple 总线、AICA RTC 等机器特定接口的实现细节。

1. 文档体系与总体结构

Documentation/arch/sh/index.rst 是 Linux SH（SuperH）架构文档的入口，作者为 Paul Mundt。其结构由四个部分组成：

1. toctree 子文档：booting.rst（DeviceTree 启动）、new-machine.rst（新板卡移植）、register-banks.rst（寄存器组）、features.rst（功能特性列表）；
2. Memory Management / SH-4 / Store Queue API：通过kernel-doc直接导出 arch/sh/kernel/cpu/sh4/sq.c 的函数文档；
3. Machine Specific Interfaces：导出 mach-dreamcast 的 AICA RTC 与 mach-x3proto 的 ILSEL 管理 两个机器级接口的文档；
4. Busses / Maple：导出 drivers/sh/maple/maple.c 的 Maple 总线 API 文档。

值得注意的一点是 features.rst 的内容仅有一行kernel-feat:: features sh，它并不包含正文，而是由 Sphinx 构建系统在执行kernel-feat扩展时扫描 SH 架构 Kconfig 后动态生成全部特性清单。这意味着 SH 架构支持的功能全集（CPU 型号、板卡选项、MMU/无 MMU 等）应始终以构建生成的文档为准，这也是判断某个 SH 配置项是否存在的可靠途径。

2. SH 平台启动流程：DeviceTree 约定

booting.rst 明确了 SH 平台的现代启动契约：

支持 Device-tree 的 SH 引导程序（bootloader）必须将 device tree blob 的物理地址放在 r4 寄存器中。

由此衍生出三条关键约束：

• 兼容引导程序（将 DTB 物理地址放入 r4）是标准路径，内核以CONFIG_SH_DEVICE_TREE启用设备树解析；
• 老式引导程序不保证任何初始寄存器状态，因此要与旧 bootloader 互操作的内核，必须内建 DTB（builtin DTB），或者选择一个不使用设备树的 legacy 板卡选项；
• 文档同时指出，非设备树的 legacy 板卡支持正在被逐步淘汰，设备树是方向。

从当前源码树看，这一演进已经落地：arch/sh/configs/ 下提供了ap325rxa_defconfig、dreamcast_defconfig、ecovec24_defconfig、edosk7705_defconfig、edosk7760_defconfig、apsh4a3a_defconfig、apsh4ad0a_defconfig等一整套 defconfig，而 arch/sh/Makefile 中默认KBUILD_DEFCONFIG := shx3_defconfig，即默认构建目标就是设备树驱动的 SH-X3 平台。

3. 寄存器组（Register Banks）：SR.RB 的内核级用法

register-banks.rst 专门讲解内核中对 SH 寄存器组的使用规则，这是阅读 SH 架构汇编代码（异常入口、中断框架）的前置知识。

3.1 硬件背景：只有 r0–r7 被分组

SH-3 与 SH-4 家族传统上带有一个部分寄存器组：由状态寄存器SR.RB位选择当前活跃组，且只有r0–r7是 banked 的。其他 CPU 家族要么有更完整的分组能力，要么完全没有。

在 SR.RB banking 模式下：

• 若SR.RB指向目标组，banked 寄存器直接映射为 r0–r7访问；
• 处于另一组上下文时，仍可用ldc/stc指令以r0_bank–r7_bank名称访问对方组的寄存器；
• 编写使用这些 banked 寄存器的代码时，必须时刻留意当前 SR.RB 取值；
• 用户态无法触碰 bank1 的值，因此内核可以把 bank1 的寄存器当作高质量的私有暂存寄存器使用。

3.2 内核对 bank1 各寄存器的实际分配

文档列出了内核当前占用的寄存器，这些约定在内核 SH 架构代码（异常向量、do_IRQ()等）中是硬约束：

理解这张表的价值在于：当你在 SH 汇编路径中看到一个"无名"的 banked 寄存器读写，可以先按上述分配对号入座，避免误判为通用寄存器而破坏其隐式语义。

4. SH-4 Store Queue：内存管理与高性能 DMA 映射

4.1 什么是 Store Queue

Store Queue（SQ）是 SH-4 CPU 集成的写缓冲/预取结构：主机侧对 SQ 映射区间的普通存储访问会被缓冲在 SQ 中，再异步写入目标物理地址（通常是帧缓冲、外设 DMA 缓冲区），从而让 CPU 不必等待慢速总线事务。Linux SH 为此提供了 arch/sh/kernel/cpu/sh4/sq.c 中"SH-4 integrated Store Queues 通用管理 API"，该模块以module_init(sq_api_init)形式注册，启动时打印sq: Registering store queue API.。

4.2 核心 API 三个函数

sq_remap(phys, size, name, prot)—— 把物理地址经 SQ 映射，返回可用的 SQ 虚拟地址。其内核文档注释与实现要点：

• 参数：phys物理地址、size长度、name发起映射的用户名（启动时及通过 sysfs 记录）、prot保护位；
• 实现（sq.c#L143-L197）中有多层防护：
  • 拒绝size == 0以及phys + size - 1回绕（end < phys），返回-EINVAL；
  • 拒绝把普通内存拉进 SQ：phys < virt_to_phys(high_memory)直接返回-EINVAL，防止普通内存被当作 SQ 目标重映射；
  • 物理地址按页对齐（phys &= PAGE_MASK），长度向上页对齐；
  • 用bitmap_find_free_region(sq_bitmap, 0x04000000 >> PAGE_SHIFT, get_order(size))在 SQ 地址空间（0x0400_0000 页粒度位图）中分配页，得到map->sq_addr = P4SEG_STORE_QUE + (page << PAGE_SHIFT)；
  • 成功时打印sqremap: <name> [N pages] va 0x... pa 0x...便于调试。

映射建立（__sq_remap，sq.c#L101-L130）分两种情况：

• 有 MMU（CONFIG_MMU）：调用__get_vm_area_caller()在 SQ 地址范围内申请VM_IOREMAP虚拟区，再用ioremap_page_range()把该 VA 段映射到目标物理地址；
• 无 MMU：直接把每个队列的 QACR 寄存器写入物理地址的对应高位（((addr >> 26) << 2) & 0x1c），分别落到SQ_QACR0/SQ_QACR1。

sq_flush_range(start, len)—— 线性地冲刷@start到@start + @len的 SQ 内容。实现（sq.c#L57-L67）非常有代表性：

void sq_flush_range(unsigned long start, unsigned int len) { unsigned long *sq = (unsigned long *)start; /* Flush the queues */ for (len >>= 5; len--; sq += 8) prefetchw(sq); /* Wait for completion */ store_queue_barrier(); }

它以 32 字节（len >>= 5、sq += 8）为粒度发起prefetchw，然后通过store_queue_barrier()等待完成——该屏障宏（sq.c#L42-L47）先读P4SEG_STORE_QUE状态寄存器，再写 0 到其 +0 与 +8 两个控制寄存器，从而强制排空队列。

sq_unmap(vaddr)—— 释放先前由sq_remap()建立的映射：按sq_addr在映射链表上查找（找不到会打印bad store queue address），释放位图区间；MMU 情况下调用remove_vm_area()拆掉 VMA；最后从链表移除并释放sq_mapping对象。文档注释说明它同时释放了内核页表中的 PTE 并丢弃 UTLB 翻译。

三个函数均通过EXPORT_SYMBOL导出，供模块态使用。

4.3 用户态/sysfs 接口：per-CPU 的mapping属性

sq.c#L247-L370 实现了"刻意复杂"的 sysfs 接口（源码注释自嘲为 "Needlessly complex sysfs interface"）：通过subsys_interface挂在cpu_subsys上，为每个 CPU在/sys/devices/system/cpu/cpuN/sq/下创建一个mapping属性文件（权限 0644，见__ATTR(mapping, 0644, ...)）：

• 读（mapping_show）：逐行输出sq_addr 起始-结束 [物理地址]: 名字，即当前全部 SQ 映射的清单；
• 写（mapping_store）：格式为"<base> <len>"（sscanf(buf, "%lx %lx", ...)）。len非零时以名字"Userspace"、PAGE_SHARED权限调用sq_remap(base, len, ...)；len为 0 则调用sq_unmap(base)。

这为调试 SQ 驱动提供了不改代码即可创建/拆除映射的手段。

4.4 初始化与资源边界

sq_api_init()（sq.c#L372-L399）创建store_queue_cacheslab 缓存、按0x04000000 >> PAGE_SHIFT个页分配位图，并注册 subsys 接口；模块作者署名为 Paul Mundt 与 M. R. Brown。从位图尺寸可以确认：SQ 可分配的地址空间总预算为64 MiB（0x0400_0000）。

5. 机器特定接口（Machine Specific Interfaces）

5.1 mach-dreamcast：AICA RTC 的时间服务

index.rst 用:internal:方式导出 arch/sh/boards/mach-dreamcast/rtc.c 的 kernel-doc，对应 Dreamcast 主板上 AICA 芯片的 RTC。实现要点（源码注释与代码直接给出）：

• 纪元修正：AICA RTC 的 Epoch 是 1950-01-01，因此读取时要减去 20 年（秒）、写入时加上 20 年换算到 Unix Epoch，代码用TWENTY_YEARS ((20 * 365LU + 5) * 86400)（含 5 个闰年日）；
• 32 位秒计数器由两个 16 位寄存器组成：AICA_RTC_SECS_H = 0xa0710000、AICA_RTC_SECS_L = 0xa0710004；
• 抗撕裂读：aica_rtc_gettimeofday()连续读两遍高低位组合值，do { ... } while (val1 != val2)直到两次读取一致，防止在 0xFFFF -> 0x0000 跨越瞬间读到撕裂值；aica_rtc_settimeofday()写后同样回读校验一致性；
• 通过rtc_class_ops（read_time/set_time）注册到通用 RTC 框架：aica_time_init()用platform_device_register_data(NULL, "rtc-generic", -1, ...)注册rtc-generic平台设备，由arch_initcall启动。

这是"机器相关硬件 + 通用内核框架"的教科书式组合：板级代码只提供硬件操作函数，时间子系统（rtc_time64_to_tm等）全部复用通用实现。

5.2 mach-x3proto：ILSEL 中断源选择管理

arch/sh/boards/mach-x3proto/ilsel.c 为 SH-X3 原型板提供 ILSEL（Interrupt Level Select）辅助例程，SH-X3 的 15 级中断源选择寄存器布局（源码注释给出）：

ILSEL0 - 0xb8100004 [ Levels 1 - 4 ] ILSEL1 - 0xb8100006 [ Levels 5 - 8 ] ILSEL2 - 0xb8100008 [ Levels 9 - 12 ] ILSEL3 - 0xb810000a [ Levels 13 - 15 ]

每个 16 位寄存器内 4 个 4-bit 字段各选一个中断源。三个导出 API 的内核文档（EXPORT_SYMBOL_GPL）：

• ilsel_enable(set)：把给定非别名ILSEL 源（set <= ILSEL_KEY）挂到当前可用的最高中断级别上；调用方应注意按降序中断级别组织调用点。别名 FPGA 与外部板 IRQ 必须用ilsel_enable_fixed()，否则返回-EINVAL。实现上用find_first_zero_bit+test_and_set_bit的自旋式抢位分配ilsel_level_map，返回值是可直接用作 IRQ 号的 bit 位置；
• ilsel_enable_fixed(set, level)：把 ILSEL 源固定在指定级别（1–15），用于级别预留以及只存在于特殊 ILSEL# 上的别名源；若该级别已被占用返回-EBUSY；
• ilsel_disable(irq)：清掉对应 4-bit 字段并释放级别位。

源码注释特别解释了一个设计：IRQ 号与中断级别是反向编号的，因此ilsel_level_map按"从最高级别往下"组织 bit 位，保证 bit 位置与 IRQ 号 1:1 对应，ilsel_enable*()的返回值可以直接用于后续的禁用路径记账。地址/移位换算由mk_ilsel_addr()/mk_ilsel_shift()完成（ILSEL_BASE + ((ILSEL_LEVELS - bit - 1) >> 1) & ~0x1）。

6. 移植新板卡到 Linux SH（new-machine 指南精读）

new-machine.rst（作者 Paul Mundt）给出了在 2.5/2.6 系列内核上添加新板卡的完整流程，并顺带交代了相对 2.4 的重大结构变化。下面按"目录结构 → 必备代码 → 构建系统接线 → defconfig"的顺序完整继承其要点。

6.1 新的目录结构

2.4 时代大部分板级代码直接放在arch/sh/kernel/，板级头文件堆在include/asm-sh/；新内核按板型、伴晶（companion chip）类型、CPU 类型拆分：

• 板级代码：arch/sh/boards/<board>/，板级头文件：include/asm-sh/<board>/；
• 伴晶代码：arch/sh/cchips/<chip>/<subchip>/（例如hd6446x/hd64461），其头文件同样按include/asm-sh/<chip>/组织；
• CPU 家族抽象：arch/sh/kernel/cpu/sh2|sh3|sh4/放各家族的通用文件，arch/sh/mm/同样按 CPU 家族拆分，让每个家族拥有自己的 cache/tlb 函数；头文件位于include/asm-sh/cpu-sh2|sh3|sh4/。文档同时提醒：CPU 子类型（subtype）并不被抽象，仍需由 CPU 家族代码自行处理。

6.2 每个板卡必须提供的代码

每个板卡至少需要提供get_system_type()与platform_setup()两个定义。文档给出的"虚拟板卡 vapor"示例：

/* * arch/sh/boards/vapor/setup.c - Setup code for imaginary board */ #include <linux/init.h> const char *get_system_type(void) { return "FooTech Vaporboard"; } int __init platform_setup(void) { /* * If our hardware actually existed, we would do real * setup here. Though it's also sane to leave this empty * if there's no real init work that has to be done for * this board. */ /* Start-up imaginary PCI ... */ /* And whatever else ... */ return 0; }

6.3 machvec：机器的能力向量

板卡还需通过 machvec（machine vector）接入内核。machvec 函数分为几类：

• I/O 内存函数（inb 等）与 PCI/主存函数（readb 等）；
• I/O 映射函数（ioport_map、ioport_unmap等）；
• "heartbeat" 函数；
• PCI 与 IRQ 初始化例程；
• 一致性分配器（consistent allocator），用于需要从板级特殊 SRAM 中分配 DMA 句柄的板卡。

原文提醒"machvec 的函数随时间增删，务必以include/asm-sh/machvec.h的当前状态为准"。需要说明的是：从当前源码树核实，include/asm-sh/machvec.h已不存在，即 machvec 机制已从当前树中移除，SH 平台的能力描述已迁移到设备树与 platform 设备体系。因此本节内容应作为理解历史板级代码（以及阅读老补丁集）的背景知识；新板卡移植的实际接入点请参考第 2 节的 DeviceTree 约定与 arch/sh/Kconfig 中的板卡选项。

其余移植步骤文档描述如下：

• 若板级定义很精简（绝大多数板卡如此），一个板级头文件即可。新建include/asm-sh/vapor.h，声明以机器名为前缀的板级 IO 函数原型（如vapor_inb）。这些原型由__IO_PREFIX宏自动生成：

  #define __IO_PREFIX vapor #include <asm/io_generic.h>

  文档还要求：仍在用旧式io.h的板卡应整体删除旧文件、切换到新模式。

• 在板级setup.c中加入机器向量定义，最低限度为：

  struct sh_machine_vector mv_vapor __initmv = { .mv_name = "vapor", }; ALIAS_MV(vapor)

• 最后添加arch/sh/boards/vapor/io.c，实现板级 IO 函数（数量值得的话）。

文档还指出内核会在启动时自动为未定义指针包上通用例程，因为 machvec 函数指针在树中被无条件引用；不同板卡差距悬殊——有的 machvec 极其稀疏（如 dreamcast 与 sh03），有的几乎要定义全部（如 rts7751r2d）。对于板族（board family），更合适的做法是在arch/sh/boards/下建公共目录、再按家族成员建子目录，Solution Engine 与 hp6xx 就是这种模式。

6.4 接入构建系统

1. Kconfig 项：在 arch/sh/Kconfig 的 "System type" 菜单下添加：

   config SH_VAPOR bool "Vapor" help select Vapor if configuring for a FooTech Vaporboard.

2. machdir 接线：所有板卡都需要machdir-y条目（arch/sh/Makefile），条目名必须是arch/sh/boards下的目录名，若位于子目录，需逐级列出父目录。示例：

   machdir-$(CONFIG_SH_VAPOR) += vapor

   若include/asm-sh/下的目录名与板目录不同名（常见于同族多板），需要用incdir-y叠加显式追加，原文建议参考 Solution Engine 与 hp6xx 的既有写法。

3. mach-types：在 arch/sh/tools/mach-types 文件末尾追加一行，即可在通用代码中使用隐式板型判断：

   /* Make sure we're on the FooTech Vaporboard */ if (!mach_is_vapor()) return -ENODEV;

   注意mach_is_boardname()会被隐式强制小写，即使 mach-types 条目本身是大写。

4. defconfig：为新板卡提供 defconfig（假设为arch/sh/configs/vapor_defconfig），别人拿到该板卡时可直接参考。一旦 defconfig 就位，它自动成为构建目标并出现在make help输出中，形如：

   Architecture specific targets (sh): ======================= ============================================= zImage Compressed kernel image (arch/sh/boot/zImage) adx_defconfig Build for adx cqreek_defconfig Build for cqreek dreamcast_defconfig Build for dreamcast ... vapor_defconfig Build for vapor ======================= =============================================

   随后即可执行：

   $ make ARCH=sh CROSS_COMPILE=sh4-linux- vapor_defconfig vmlinux

   该命令会拷贝该板卡的 defconfig、跑oldconfig（对创建以来的新选项逐一询问），随即进入新板卡内核的正常构建流程。当前树中可直接参考的真实示例包括 arch/sh/configs/dreamcast_defconfig、arch/sh/configs/ecovec24_defconfig、arch/sh/configs/edosk7760_defconfig 等。

7. 总线：Maple（Dreamcast 外设总线）

index.rst 的 "Busses / Maple" 一节通过kernel-doc导出 drivers/sh/maple/maple.c。Maple 是 Dreamcast 主机的外设总线，该驱动是模块（MODULE_AUTHOR为 Adrian McMenamin，描述 "Maple bus driver for Dreamcast"）。从源码可确认的核心 API 与机制：

• maple_driver_register(drv)/maple_driver_unregister(drv)：把maple_driver挂到私有maple_bus_type总线上，driver_register()之后，函数 ID 匹配的设备会被自动 probe——即典型的内核总线模型（bus_type + device + driver 三方匹配）；
• maple_add_packet(mdev, function, command, length, data)：向某设备的 Maple 队列追加一条指令。32 位字计数长度，function以cpu_to_be32()大端化写入发送缓冲首字（Maple 线序为大端），随后加锁挂入maple_waitq等待发送；
• maple_getcond_callback(dev, callback, interval, function)：为周期查询类设备（如控制器摇杆状态）注册回调，interval以 jiffies 为单位，function为大端函数码；
• DMA 与 VBLANK 触发：maple_dma_reset()揭示了 Maple 系统寄存器的位定义（源码注释）：位 31–16 为超时（20ns 单位）、位 12 硬触发（置 0 则持续响应 VBLANK）、位 9–8 速率（00 = 2 Mbps，01 = 1 Mbps）、位 3–0 为 VBLANK 到 DMA 启动的延迟（1.3ms 单位，最大 11）。驱动把MAPLE_TRIGTYPE置 1 使用 VBLANK 硬件触发，并把发送缓冲物理地址写入MAPLE_DMAADDR后使能；
• 设备释放：maple_release_device()释放mapleq队列与其 recvbuf，体现 Maple 设备"基础单元 + 从属设备"的端口树模型（subdevice_map[MAPLE_PORTS]、baseunits[MAPLE_PORTS]等结构）。

8. 小结：如何使用这套文档与代码

• 查 API 文档：SH 架构的机器级/总线级 API 文档不单独成文，而是内嵌在源码的 kernel-doc 注释中，由 index.rst 以kernel-doc::指令聚合导出。想查某个 SH 特定函数（如sq_remap、ilsel_enable、maple_add_packet），直接读对应源码文件中的 doc 注释即可，构建后的 Sphinx 文档会将其整理进 "SuperH Interfaces Guide"；
• 移植板卡：以第 2 节 DeviceTree 启动约定为前提，按第 6 节的目录、Kconfig、machdir-y/incdir-y、mach-types、defconfig 五步接线，最后用make ARCH=sh CROSS_COMPILE=... <board>_defconfig vmlinux验证构建；
• 深入机制：Store Queue 的 64MiB 地址空间位图分配、per-CPU sysfs 接口（第 4 节），SR.RB bank1 的四项内核占用（第 3 节），AICA RTC 的 1950 纪元与抗撕裂读写（第 5.1 节），Maple 的 VBLANK 触发 DMA 位定义（第 7 节），都给出了可直接核对的源码位置，便于进一步追读。

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