从零开始写RISC-V处理器之五实践篇

来源：liangkangnan的博客
更新于 2021-01-31
tinyriscv 一个从零开始写的极简易懂的RISC-V处理器核
 从零开始写RISC-V处理器之一前言
 从零开始写RISC-V处理器之二绪论
 从零开始写RISC-V处理器之三硬件篇
 从零开始写RISC-V处理器之四软件篇
 从零开始写RISC-V处理器之五实践篇
 从零开始写RISC-V处理器之六写在最后

实践篇

移植tinyriscv到FPGA

这里只介绍xilinx vivado平台的移植，详见tinyriscv项目的fpga/README.md文件。

编写和运行C语言程序

C语言的例程都在tests/example目录里，其中include、lib为公共目录，所有例程都依赖这两个目录。

当所需编写一个新的例程（程序）时，可以通过以下步骤：

1.拷贝simple这个例程，然后改成自己想要的名字。

2.接着修改Makefile文件：

...
TARGET = simple

CFLAGS += -DSIMULATION
#CFLAGS += -O2
#ASM_SRCS +=
#LDFLAGS +=
#INCLUDES += -I.

C_SRCS := \
	main.c \
...

修改第2行，这个TARGET就是程序编译后生成的bin文件名字，这里是simple.bin。

修改第4行，CFLAGS是编译选项，这里的simple例程默认作为仿真使用，所以需要定义SIMULATION宏。

修改第6行，将需要编译的汇编文件全部添加到这里。

修改第8行，将涉及的头文件路径全部添加到这里。

修改第10行，将需要编译的c文件全部添加到这里。

3.打开终端，进入到例程的根目录，先输入make clean命令再输入make命令即可编译程序。

由于tinyriscv是支持通过jtag下载程序的，因此在fpga综合、实现时不需要预先读入程序(bin)文件，只需要在下载完bitstream文件后连上jtag和openocd，即可通过openocd的load_image命令下载程序。这样的好处是，当需要更新程序时不需要重新综合、实现，可以节省很多时间。

移植FreeRTOS

freertos是一款轻量级的实时嵌入式操作系统，支持多个平台（X86、ARM、RISC-V等）和多种编译器、编译环境（GCC、KEIL、IAR等），具有可配置、任务管理、信号量、消息队列、内存管理和软件定时器等功能。freertos遵循MIT开源协议。

鉴于freertos的国内外的知名度和代码的精简度，这里选择它作为tinyriscv支持的首个RTOS。

目前freertos已经支持好几款RISC-V开发板（处理器）了，比如SiFive的HiFive1_RevB，NXP的Vega。这样的话，在移植freertos到其他RISC-V处理器或者开发板时就不需要从零开始了，直接在其中一个的基础上修改就可以了。事实上，tinyriscv就是这么做的。

RISC-V的中断（异常）架构与ARM相比，其中有一点是做得非常好的，那就是RISC-V的中断（异常）入口地址是可以通过软件修改的（修改mtvec寄存器的值），而不像ARM那样硬件设计好了就不能变了。这样的好处是，在移植freertos时就可以共用原有（其他例程）的启动代码，只需要在系统初始化时设置mtvec为freertos的中断入口地址就可以了。

下面开始分析freertos的代码，先看初始化过程。

tinyriscv的启动代码前面已经分析过了，这里就直接从main()函数开始看了。先给出主要的函数调用层次关系。

examples/FreeRTOS/Demo/tinyriscv_GCC/main.c(main()-->main_blinky())
--examples/FreeRTOS/Demo/tinyriscv_GCC/blinky_demo/main_blinky.c(main_blinky()-->vTaskStartScheduler())
----examples/FreeRTOS/Source/tasks.c(vTaskStartScheduler()-->xPortStartScheduler())
------examples/FreeRTOS/Source/portable/RISC-V/port.c(xPortStartScheduler()-->xPortStartFirstTask())
--------examples/FreeRTOS/Source/portable/RISC-V/portASM.S(xPortStartFirstTask())

main()函数的定义：

int main( void )
{
	prvSetupHardware();

	/* The mainCREATE_SIMPLE_BLINKY_DEMO_ONLY setting is described at the top
	of this file. */
	#if( mainCREATE_SIMPLE_BLINKY_DEMO_ONLY == 1 )
	{
		main_blinky();
	}
	#else
	{
		main_full();
	}
	#endif
}

第3行，调用prvSetupHardware()函数，这个函数里只做了一件事情，就是将LED对应的GPIO设置为输出模式。

第7行，条件成立。这个demo实现（移植）的就是简单的LED闪灯功能，只不过是通过两个任务来实现。一个任务作为发送者，另一个任务作为接收者，发送者每隔一段时间向接收者发送一个消息，接收者收到这个消息后，判断是否是想要的消息，如果是则将LED所在的GPIO电平取反。

第9行，调用main_blinky()函数：

void main_blinky( void )
{
	/* Create the queue. */
	xQueue = xQueueCreate( mainQUEUE_LENGTH, sizeof( uint32_t ) );

	if( xQueue != NULL )
	{
		/* Start the two tasks as described in the comments at the top of this
		file. */
		xTaskCreate( prvQueueReceiveTask,				/* The function that implements the task. */
					"Rx", 								/* The text name assigned to the task - for debug only as it is not used by the kernel. */
					configMINIMAL_STACK_SIZE, 			/* The size of the stack to allocate to the task. */
					NULL, 								/* The parameter passed to the task - not used in this case. */
					mainQUEUE_RECEIVE_TASK_PRIORITY, 	/* The priority assigned to the task. */
					NULL );								/* The task handle is not required, so NULL is passed. */

		xTaskCreate( prvQueueSendTask, "TX", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, mainQUEUE_SEND_TASK_PRIORITY, NULL );

		/* Start the tasks and timer running. */
		vTaskStartScheduler();
	}

	/* If all is well, the scheduler will now be running, and the following
	line will never be reached.  If the following line does execute, then
	there was insufficient FreeRTOS heap memory available for the Idle and/or
	timer tasks to be created.  See the memory management section on the
	FreeRTOS web site for more details on the FreeRTOS heap
	http://www.freertos.org/a00111.html. */
	for( ;; );
}

这里并不会具体分析freertos代码的实现，只有涉及到移植相关的才会详细说明。

第4行，创建队列，发送任务和接收任务会利用这个队列会来收发数据。

第10行，创建接收任务。

第17行，创建发送任务。

第20行，开始任务调度，vTaskStartScheduler()这个函数代码比较长，这里就不贴代码了。这里面有一个很重要的操作，就是调用xPortStartScheduler()函数：

BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
extern void xPortStartFirstTask( void );

...
	/* If there is a CLINT then it is ok to use the default implementation
	in this file, otherwise vPortSetupTimerInterrupt() must be implemented to
	configure whichever clock is to be used to generate the tick interrupt. */
	vPortSetupTimerInterrupt();
...

	xPortStartFirstTask();

	/* Should not get here as after calling xPortStartFirstTask() only tasks
	should be executing. */
	return pdFAIL;
}

第9行，调用vPortSetupTimerInterrupt()函数，在这个函数里需要初始化操作系统的systick定时器并启动。

第12行，xPortStartFirstTask()函数是用汇编语言实现的，这个函数跟移植密切相关，这里分析一下：

.func
xPortStartFirstTask:

#if( portasmHAS_SIFIVE_CLINT != 0 )
	/* If there is a clint then interrupts can branch directly to the FreeRTOS
	trap handler.  Otherwise the interrupt controller will need to be configured
	outside of this file. */
	la t0, freertos_risc_v_trap_handler
	csrw mtvec, t0
#endif /* portasmHAS_CLILNT */

	load_x  sp, pxCurrentTCB			/* Load pxCurrentTCB. */
	load_x  sp, 0( sp )				 	/* Read sp from first TCB member. */

	load_x  x1, 0( sp ) /* Note for starting the scheduler the exception return address is used as the function return address. */

	portasmRESTORE_ADDITIONAL_REGISTERS	/* Defined in freertos_risc_v_chip_specific_extensions.h to restore any registers unique to the RISC-V implementation. */

	load_x  t0, 29 * portWORD_SIZE( sp )	/* mstatus */
	addi t0, t0, 0x08						/* Set MIE bit so the first task starts with interrupts enabled - required as returns with ret not eret. */
	csrrw  x0, mstatus, t0					/* Interrupts enabled from here! */

	load_x  x5, 2 * portWORD_SIZE( sp )		/* t0 */
	load_x  x6, 3 * portWORD_SIZE( sp )		/* t1 */
	load_x  x7, 4 * portWORD_SIZE( sp )		/* t2 */
	load_x  x8, 5 * portWORD_SIZE( sp )		/* s0/fp */
	load_x  x9, 6 * portWORD_SIZE( sp )		/* s1 */
	load_x  x10, 7 * portWORD_SIZE( sp )	/* a0 */
	load_x  x11, 8 * portWORD_SIZE( sp )	/* a1 */
	load_x  x12, 9 * portWORD_SIZE( sp )	/* a2 */
	load_x  x13, 10 * portWORD_SIZE( sp )	/* a3 */
	load_x  x14, 11 * portWORD_SIZE( sp )	/* a4 */
	load_x  x15, 12 * portWORD_SIZE( sp )	/* a5 */
	load_x  x16, 13 * portWORD_SIZE( sp )	/* a6 */
	load_x  x17, 14 * portWORD_SIZE( sp )	/* a7 */
	load_x  x18, 15 * portWORD_SIZE( sp )	/* s2 */
	load_x  x19, 16 * portWORD_SIZE( sp )	/* s3 */
	load_x  x20, 17 * portWORD_SIZE( sp )	/* s4 */
	load_x  x21, 18 * portWORD_SIZE( sp )	/* s5 */
	load_x  x22, 19 * portWORD_SIZE( sp )	/* s6 */
	load_x  x23, 20 * portWORD_SIZE( sp )	/* s7 */
	load_x  x24, 21 * portWORD_SIZE( sp )	/* s8 */
	load_x  x25, 22 * portWORD_SIZE( sp )	/* s9 */
	load_x  x26, 23 * portWORD_SIZE( sp )	/* s10 */
	load_x  x27, 24 * portWORD_SIZE( sp )	/* s11 */
	load_x  x28, 25 * portWORD_SIZE( sp )	/* t3 */
	load_x  x29, 26 * portWORD_SIZE( sp )	/* t4 */
	load_x  x30, 27 * portWORD_SIZE( sp )	/* t5 */
	load_x  x31, 28 * portWORD_SIZE( sp )	/* t6 */
	addi	sp, sp, portCONTEXT_SIZE
	ret
	.endfunc

第4行，条件成立。

第8~9行，将mtvec的值设置为freertos_risc_v_trap_handler()函数的地址，即中断（异常）入口函数为freertos_risc_v_trap_handler()。

后面的代码会将当前TCB里保存的寄存器值恢复到对应的寄存器，当xPortStartFirstTask()函数返回后就会执行当前（pxCurrentTCB所指的）任务。

到这里，我们就可以知道接下来的重点就是freertos_risc_v_trap_handler()函数，这个函数的代码也是比较长，这里只列出tinyriscv用到的部分：

.func
freertos_risc_v_trap_handler:
	addi sp, sp, -portCONTEXT_SIZE
	store_x x1, 1 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x5, 2 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x6, 3 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x7, 4 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x8, 5 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x9, 6 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x10, 7 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x11, 8 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x12, 9 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x13, 10 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x14, 11 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x15, 12 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x16, 13 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x17, 14 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x18, 15 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x19, 16 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x20, 17 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x21, 18 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x22, 19 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x23, 20 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x24, 21 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x25, 22 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x26, 23 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x27, 24 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x28, 25 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x29, 26 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x30, 27 * portWORD_SIZE( sp )
	store_x x31, 28 * portWORD_SIZE( sp )

	csrr t0, mstatus					/* Required for MPIE bit. */
	store_x t0, 29 * portWORD_SIZE( sp )

	portasmSAVE_ADDITIONAL_REGISTERS	/* Defined in freertos_risc_v_chip_specific_extensions.h to save any registers unique to the RISC-V implementation. */

	load_x  t0, pxCurrentTCB			/* Load pxCurrentTCB. */
	store_x  sp, 0( t0 )				/* Write sp to first TCB member. */

	csrr a0, mcause
	csrr a1, mepc

test_if_asynchronous:
	srli a2, a0, __riscv_xlen - 1		/* MSB of mcause is 1 if handing an asynchronous interrupt - shift to LSB to clear other bits. */
	beq a2, x0, handle_synchronous		/* Branch past interrupt handing if not asynchronous. */
	store_x a1, 0( sp )					/* Asynch so save unmodified exception return address. */

handle_asynchronous:
    /* TODO: 判断是定时器中断还是其他(外部)中断 */
	load_x sp, xISRStackTop				/* Switch to ISR stack before function call. */
    call xPortClearTimerIntPending
    jal xTaskIncrementTick
    beqz a0, processed_source		/* Don't switch context if incrementing tick didn't unblock a task. */
    jal vTaskSwitchContext
	#jal portasmHANDLE_INTERRUPT			/* Jump to the interrupt handler if there is no CLINT or if there is a CLINT and it has been determined that an external interrupt is pending. */
	j processed_source

handle_synchronous:
	addi a1, a1, 4						/* Synchronous so updated exception return address to the instruction after the instruction that generated the exeption. */
	store_x a1, 0( sp )					/* Save updated exception return address. */

test_if_environment_call:
	li t0, 11 							/* 11 == environment call. */
	bne a0, t0, is_exception			/* Not an M environment call, so some other exception. */
	load_x sp, xISRStackTop				/* Switch to ISR stack before function call. */
	jal vTaskSwitchContext
	j processed_source

is_exception:
	csrr t0, mcause						/* For viewing in the debugger only. */
	csrr t1, mepc						/* For viewing in the debugger only */
	csrr t2, mstatus
	j is_exception						/* No other exceptions handled yet. */

as_yet_unhandled:
	csrr t0, mcause						/* For viewing in the debugger only. */
	j as_yet_unhandled

processed_source:
	load_x  t1, pxCurrentTCB			/* Load pxCurrentTCB. */
	load_x  sp, 0( t1 )				 	/* Read sp from first TCB member. */

	/* Load mret with the address of the next instruction in the task to run next. */
	load_x t0, 0( sp )
	csrw mepc, t0

	portasmRESTORE_ADDITIONAL_REGISTERS	/* Defined in freertos_risc_v_chip_specific_extensions.h to restore any registers unique to the RISC-V implementation. */

	/* Load mstatus with the interrupt enable bits used by the task. */
	load_x  t0, 29 * portWORD_SIZE( sp )
	csrw mstatus, t0						/* Required for MPIE bit. */

	load_x  x1, 1 * portWORD_SIZE( sp )
	load_x  x5, 2 * portWORD_SIZE( sp )		/* t0 */
	load_x  x6, 3 * portWORD_SIZE( sp )		/* t1 */
	load_x  x7, 4 * portWORD_SIZE( sp )		/* t2 */
	load_x  x8, 5 * portWORD_SIZE( sp )		/* s0/fp */
	load_x  x9, 6 * portWORD_SIZE( sp )		/* s1 */
	load_x  x10, 7 * portWORD_SIZE( sp )	/* a0 */
	load_x  x11, 8 * portWORD_SIZE( sp )	/* a1 */
	load_x  x12, 9 * portWORD_SIZE( sp )	/* a2 */
	load_x  x13, 10 * portWORD_SIZE( sp )	/* a3 */
	load_x  x14, 11 * portWORD_SIZE( sp )	/* a4 */
	load_x  x15, 12 * portWORD_SIZE( sp )	/* a5 */
	load_x  x16, 13 * portWORD_SIZE( sp )	/* a6 */
	load_x  x17, 14 * portWORD_SIZE( sp )	/* a7 */
	load_x  x18, 15 * portWORD_SIZE( sp )	/* s2 */
	load_x  x19, 16 * portWORD_SIZE( sp )	/* s3 */
	load_x  x20, 17 * portWORD_SIZE( sp )	/* s4 */
	load_x  x21, 18 * portWORD_SIZE( sp )	/* s5 */
	load_x  x22, 19 * portWORD_SIZE( sp )	/* s6 */
	load_x  x23, 20 * portWORD_SIZE( sp )	/* s7 */
	load_x  x24, 21 * portWORD_SIZE( sp )	/* s8 */
	load_x  x25, 22 * portWORD_SIZE( sp )	/* s9 */
	load_x  x26, 23 * portWORD_SIZE( sp )	/* s10 */
	load_x  x27, 24 * portWORD_SIZE( sp )	/* s11 */
	load_x  x28, 25 * portWORD_SIZE( sp )	/* t3 */
	load_x  x29, 26 * portWORD_SIZE( sp )	/* t4 */
	load_x  x30, 27 * portWORD_SIZE( sp )	/* t5 */
	load_x  x31, 28 * portWORD_SIZE( sp )	/* t6 */
	addi sp, sp, portCONTEXT_SIZE

	mret
	.endfunc

第3~34行，保护现场，即将寄存器压栈。

第36行，保存额外的寄存器，这里什么都不做。

第38~39行，将sp的值保存在当前TCB的起始地址处。

第41行，读取mcause的值到a0寄存器。

第42行，读取mepc的值到a1寄存器。

第45行，将a0寄存器的值右移31位，将移位后的值写入a2寄存器。

第46行，判断a2寄存器的值是否等于0，即判断是中断（异步中断）还是异常（同步中断），如果等于0则跳转到第59行。这里假设a2的值不等于0，因此继续往下看。

第47行，将中断返回地址保存在栈顶。

第51行，使用中断栈，即在中断里有专门的栈空间来进行函数调用。

第52行，调用xPortClearTimerIntPending()函数，在这里该函数的作用是清定时器中断pending。目前在freertos这个demo里只有定时器中断，因此就没有判断是否是其他外部中断了。

第53行，调用xTaskIncrementTick()函数，这个函数的返回值决定了是否需要切换到其他任务。如果返回值为0，表示不需要切换，否则需要任务切换。

第54行，判断xTaskIncrementTick()函数的返回值是否等于0，如果是则跳转到第80行，这里假设返回值不等于0。

第55行，调用vTaskSwitchContext()函数，这个函数会切换当前TCB到将要执行的任务上。

第57行，跳转到第80行。

第81~82行，使用当前TCB的sp。

第85~86行，将中断返回地址写入mepc寄存器。

第88行，恢复额外的寄存器，这里什么都没做。

第91~122行，从栈里恢复寄存器的值，这和前面进入中断时的保存现场操作是成对的，即恢复现场。

第124行，中断返回，从mepc的值所指的地址处开始执行代码。

接下来，看回第46行，如果a2寄存器的值为0，则跳转到第第59行。

第60行，将a1的值加4，即将中断返回地址的值加4，后面会用到。

第61行，将a1的值写入sp寄存器。

第64~65行，判断a0的值是否等于11，即mcause的值是否等于11，即是否是ecall指令异常。如果不是则跳转到第70行。

第70~74行是一段死循环代码。

第66~68行，前面已经分析过了。

总结一下，移植freertos需要修改以下几个地方：

1.修改prvSetupHardware()函数，在里面做一些硬件初始化的操作。

2.修改vPortSetupTimerInterrupt()函数，在里面初始化并使能系统滴答定时器。

3.修改freertos_risc_v_trap_handler()函数，根据具体的硬件实现处理好中断返回地址和中断（异常）的判断。

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