[经验]

如何实现一个RISC-V内核架构的芯片移植工作

2022-3-25 10:11:15

2590 RISC-V 内核芯片

RISC-V 简介
RISC-V (读作 “RISC-FIVE”) 是基于精简指令集计算 (RISC)原理建立的开放指令集架构 (ISA)，V 表示为第五代 RISC (精简指令集计算机), 表示此前已经四代 RISC 处理器原型芯片。
内核移植简介
内核移植就是指将 RT-Thread 内核在不同的芯片架构、不同的板卡上运行起来，能够具备线程管理和调度，内存管理，线程间同步和通信、定时器管理等功能。移植可分为 CPU 架构移植和 BSP（Board support package，板级支持包）移植两部分。
在嵌入式领域有多种不同 CPU 架构，例如 Cortex-M、ARM920T、MIPS32、RISC-V 等等。为了使 RT-Thread 能够在不同 CPU 架构的芯片上运行，RT-Thread 提供了一个 libcpu 抽象层来适配不同的 CPU 架构。libcpu 层向上对内核提供统一的接口，包括全局中断的开关，线程栈的初始化，上下文切换等。
RT-Thread 的 libcpu 抽象层向下提供了一套统一的 CPU 架构移植接口，这部分接口包含了全局中断开关函数、线程上下文切换函数、时钟节拍的配置和中断函数、Cache 等等内容。下表是 CPU 架构移植需要实现的接口和变量。
RTOS 内核移植
RTOS 内核移植一般需要实现如下功能，对接 RTOS
中断使能 / 失能
任务切换
中断处理
时钟节拍
Cache (可选)
libcpu 移植相关 API 介绍

RISC-V 内核移植
RT-Thread RISC-V 内核架构介绍
在 RISC-V 内核架构设计上，common 文件夹一般来用存放的是不同 RISC-V 内核的通用任务切换代码，其他不同内核之间不一样的地方，使用单独的文件夹存放。

不同的 RISC-V 内核芯片，我们会发现一个很有意思的现象：任务切换代码经常有一些不一样的地方，比较碎片化，因此我们会发现，有时，很难比较统一的将任务切换代码都放在 common 文件夹中，查看 libcpu
isc-vSConscript 文件，我们会发现，不同内核架构，有时无法使用 common 文件夹中的任务切换代码

RT-Thread RISC-V 内核移植 API 实现
内核移植的主要工作内容，主要就是实现上面 libcpu 移植相关的 API，相关实现函数也位于上面提到的 libcpu/risc-v 文件夹中，因为不同的 RISC-V 内核，任务切换相关 API 实现也不完全一样，下面我们以 GD32FV103 芯片为例，将介绍一下，如何实现一个 RISC-V 内核架构的芯片移植工作。
GD32VF103 是 bumblebee 内核，相关的内核移植 API 主要位于如下文件夹中，接下来，我们依次介绍内核移植 API 的实现

实现全局中断关闭

实现全局中断打开

实现线程栈初始化

实现上下文切换
一般在 CM3 等架构下，我们习惯在任务切换函数中，触发 PendSV 中断，然后在 PendSV 处理函数中实现上下文切换，在 RISC-V 架构中，可以使用 Software interrupt 来替换 PendSV，也可以不使用 Software interrupt，直接在任务切换函数中，进行上下文的切换，rt-thread libcpu/risc-v/common/ 下任务切换的实现，其实使用的是方法二，即直接在任务切换函数中，直接进行上下文切换，而没有使用 Software interrupt，主要原因是：
使用 Software interrupt 模式，代码处理起来会别扭一些，特别是在使用 Software interrupt 并没有特别性能提升的时候，可能更没有必要
目前已知的一些 RISC-V 并没有硬件自动压栈，出栈一些 CPU 寄存器，相比 PendSV 硬件上可以自动压栈，出栈
其实 CM3 中使用 PendSV 做任务切换，也并不是架构强制要求的, 只是鼓励 RTOS 这么使用，RTOS 也可以完全不实用 PendSV 来做任务切换，是否这么做，完全取决于 RTOS 如何实现
当然，也可以使用 Software interrupt 来做任务切换， libcpu/risc-v/nuclei 这里的内核移植，就是使用了 Software interrupt 来做任务切换的
rt_hw_context_switch_to
rt_hw_context_switch_to 主要是在第一次切换到新的线程时使用到，第一次线程切换时，是没有 from 线程的，只有 to 线程

rt_hw_context_switch
该函数用于在线程（而不是中断中）实现上下文切换

rt_hw_context_switch_interrupt
在上下文实现，主要是在中断函数中进行调用，设置上下文切换的标志，然后在 irq_entry 中实现上下文的切换

实现时钟节拍
要实现时间片轮转调度、软定时器、rt_thread_delay() 等功能，必须要保证 rt_tick_increase() 被周期性调用。在 RISC-V 系列 MCU 中，可以使用内核 timer 实现