RISC-V架构与嵌入式开发
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为了促进RISC-V在国内的普及,尤其是被广大初学者接受和快速入门,本书将分享和总结一些使用RISC-V进行嵌入式开发的相关技术和经验,主要面向对RISC-V感兴趣的入门用户,包括嵌入式软件开发和硬件设计人员。

本书的姊妹版《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》已经出版,提供了一个非常高效的超低功耗开源RISC-V处理器学习案例——蜂鸟E203,并对其进行了全方面剖析和讲解,解决了在CPU硬件设计方面中文资料欠缺的问题。


内容简介

本书是一本介绍RISC-V架构嵌入式开发的入门书籍,以通俗的语言系统介绍了嵌入式开发的基础知识和RISC-V架构的内容,力求帮助读者快速掌握RISC-V架构的嵌入式开发技术。


本书共分为两部分。第一部分为第1~14章,基本涵盖了使用RISC-V架构进行嵌入式开发所需的所有关键知识。第二部分为附录部分,详细介绍了RISC-V指令集架构,辅以作者加入的背景知识解读和注解,以便于读者理解。


作者简介

胡振波,本科毕业于上海交通大学电子工程系,硕士毕业于上海交通大学微电子学院。拥有多年ASIC和CPU设计与验证经验,曾在Marvell公司任ARM架构CPU设计高级工程师,在Synopsys公司任研发经理,在比特大陆公司任IC设计总监,在武汉聚芯微电子公司任架构师,现致力于RISC-V架构在国内的传播和发展。他开发并开源了蜂鸟E203超低功耗RISC-V处理器内核。


目录

第 1章 进入32位时代,谁能成为下一个8051 1

1.1 磨刀不误砍柴工—CPU基础知识介绍 1

1.1.1 ISA—CPU的灵魂 2

1.1.2 CISC与RISC 3

1.1.3 32位与64位架构 4

1.1.4 ISA众生相 5

1.1.5 CPU的领域之分 9

1.1.6 8位时代的传奇“前辈”—8051 10

1.1.7 IoT的崛起—32位时代的到来 11

1.2 无敌是多么寂寞—ARM统治着的世界 11

1.2.1 独乐乐与众乐乐—ARM公司的盈利模式 12

1.2.2 小个子有大力量—无处不在的Cortex-M系列 14

1.2.3 移动王者—Cortex-A系列在手持设备领域的巨大成功 16

1.2.4 进击的巨人—ARM进军PC与服务器领域的雄心 18

1.2.5 游戏终结者之ARM 19

1.3 东边日出西边雨,道是无晴却有晴—RISC-V登场 19

1.4 RISC-V和其他开放架构有何不同 21

1.4.1 “平民英雄”—OpenRISC 22

1.4.2 “豪门显贵”—SPARC 22

1.4.3 “名校优生”—RISC-V 23

1.5 结语:进入32位时代,谁能成为深嵌入式领域的下一个8051? 23

第 2章 开源蜂鸟E203超低功耗RISC-V Core与SoC 25

2.1 乱花渐欲迷人眼 25

2.2 与众不同的蜂鸟E203处理器 25

2.3 蜂鸟虽小,五脏俱全—蜂鸟E203简介 26

2.4 蜂鸟E203性能指标 27

2.5 蜂鸟E203配套SoC 28

第3章 大道至简—RISC-V架构之魂 29

3.1 简单就是美—RISC-V架构的设计哲学 29

3.1.1 无病一身轻—架构的篇幅 30

3.1.2 能屈能伸—模块化的指令集 31

3.1.3 浓缩的都是精华—指令的数量 31

3.2 RISC-V指令集架构简介 32

3.2.1 模块化的指令子集 32

3.2.2 可配置的通用寄存器组 33

3.2.3 规整的指令编码 33

3.2.4 简洁的存储器访问指令 34

3.2.5 高效的分支跳转指令 35

3.2.6 简洁的子程序调用 36

3.2.7 无条件码执行 36

3.2.8 无分支延迟槽 37

3.2.9 零开销硬件循环 37

3.2.10 简洁的运算指令 38

3.2.11 优雅的压缩指令子集 38

3.2.12 特权模式 39

3.2.13 CSR寄存器 40

3.2.14 中断和异常 40

3.2.15 矢量指令子集 40

3.2.16 自定制指令扩展 40

3.2.17 总结与比较 41

第4章 RISC-V架构的中断和异常 43

4.1 中断和异常概述 43

4.1.1 中断概述 43

4.1.2 异常概述 44

4.1.3 广义上的异常 44

4.2 RISC-V架构异常处理机制 46

4.2.1 进入异常 47

4.2.2 退出异常 50

4.2.3 异常服务程序 50

4.3 RISC-V架构中断定义 51

4.3.1 中断类型 51

4.3.2 中断屏蔽 54

4.3.3 中断等待 55

4.3.4 中断优先级与仲裁 55

4.3.5 中断嵌套 56

4.3.6 总结比较 57

4.4 RISC-V架构异常相关CSR寄存器 57

4.5 蜂鸟E203的中断和异常实现 58

第5章 开源蜂鸟E203 MCU SoC总体介绍 59

5.1 Freedom E310 SoC简介 59

5.2 蜂鸟E203 MCU SoC简介 60

5.3 蜂鸟E203 MCU SoC框图 60

5.4 蜂鸟E203 MCU SoC存储资源 61

5.4.1 片上存储资源 61

5.4.2 片外Flash存储资源 61

5.5 蜂鸟E203 MCU SoC外设资源 62

5.6 蜂鸟E203 MCU SoC地址分配 62

5.7 蜂鸟E203 MCU SoC时钟域划分 63

5.8 蜂鸟E203 MCU SoC电源域划分 64

5.9 蜂鸟E203 MCU SoC低功耗模式 64

5.10 蜂鸟E203 MCU SoC的全局复位 65

5.11 蜂鸟E203 MCU SoC的上电流程控制 66

5.12 蜂鸟E203 MCU SoC芯片引脚表 67

5.13 蜂鸟E203 MCU SoC的GPIO引脚分配 68

5.14 蜂鸟E203 MCU SoC的中断处理 70

5.14.1 蜂鸟E203处理器核的异常和中断处理 70

5.14.2 蜂鸟E203处理器的中断接口 71

5.14.3 CLINT模块生成计时器中断和软件中断 72

5.14.4 PLIC管理多个外部中断 73

第6章 开源蜂鸟E203 MCU SoC外设介绍 77

6.1 蜂鸟E203 MCU SoC外设总述 77

6.2 PLIC 78

6.3 CLINT 78

6.4 LCLKGEN 78

6.4.1 LCLKGEN简介 78

6.4.2 LCLKGEN寄存器列表 78

6.5 HCLKGEN 79

6.5.1 HCLKGEN简介 79

6.5.2 HCLKGEN寄存器列表 79

6.6 GPIO 79

6.6.1 GPIO特性 79

6.6.2 GPIO寄存器列表 80

6.6.3 I/O结构和IOF模式 80

6.6.4 SoC各外设复用GPIO引脚 83

6.6.5 GPIO中断 83

6.6.6 GPIO_VALUE寄存器 84

6.6.7 GPIO_INPUT_EN寄存器 84

6.6.8 GPIO_OUTPUT_EN寄存器 85

6.6.9 GPIO_PORT寄存器 85

6.6.10 GPIO_PUE寄存器 85

6.6.11 GPIO_DS寄存器 85

6.6.12 GPIO_OUTPUT_XOR寄存器 85

6.6.13 GPIO_RISE_IE、GPIO_RISE_IP等寄存器 85

6.7 SPI 86

6.7.1 SPI背景知识简介 86

6.7.2 SPI特性 88

6.7.3 SPI寄存器列表 89

6.7.4 SPI接口数据线 90

6.7.5 通过SPI_SCKDIV寄存器配置SCK时钟频率 90

6.7.6 通过SPI_SCKMODE寄存器配置SCK的极性与相位 90

6.7.7 通过SPI_CSID寄存器配置SPI使能信号 92

6.7.8 通过SPI_CSDEF寄存器配置使能信号的空闲值 92

6.7.9 通过SPI_CSMODE寄存器配置使能信号的行为 92

6.7.10 通过SPI_DELAY0和SPI_DELAY1寄存器配置使能信号的行为 93

6.7.11 通过SPI_FCTRL寄存器使能QSPI0的Flash XiP模式 94

6.7.12 通过SPI_FFMT寄存器控制QSPI0读取外部Flash 95

6.7.13 通过SPI_FMT寄存器配置传输参数 97

6.7.14 通过SPI_TXDATA寄存器发送数据 97

6.7.15 通过SPI_RXDATA寄存器接收数据 98

6.7.16 通过SPI_TXMARK寄存器配置发送中断阈值 100

6.7.17 通过SPI_RXMARK寄存器配置接收中断阈值 100

6.7.18 通过SPI_IE和SPI_IP寄存器控制中断 101

6.8 I2C 102

6.8.1 I2C背景知识简介 102

6.8.2 I2C特性 103

6.8.3 I2C寄存器列表 103

6.8.4 I2C接口数据线 104

6.8.5 通过I2C_PRERlo和I2C_PRERhi寄存器配置SCL时钟频率 104

6.8.6 通过I2C_CTR寄存器配置功能和中断使能 104

6.8.7 I2C模块产生中断 105

6.8.8 通过I2C_TXR和I2C_RXR寄存器发送和接收数据 105

6.8.9 通过I2C_CR和I2C_SR寄存器发起命令和查看状态 106

6.8.10 初始化I2C模块的序列 107

6.8.11 通过I2C模块向外部从设备写数据的常用序列 107

6.8.12 通过I2C模块从外部从设备读数据的常用序列 108

6.9 UART 109

6.9.1 UART背景知识简介 109

6.9.2 UART特性 110

6.9.3 UART寄存器列表 110

6.9.4 UART接口数据线 111

6.9.5 通过UART_TXDATA寄存器发送数据 111

6.9.6 通过UART_RXDATA寄存器接收数据 112

6.9.7 通过UART_TXCTRL寄存器进行发送控制 113

6.9.8 通过UART_RXCTRL寄存器进行接收控制 113

6.9.9 通过UART_IE和UART_IP寄存器控制中断 114

6.9.10 通过UART_DIV寄存器配置波特率 115

6.10 PWM 116

6.10.1 PWM背景知识简介 116

6.10.2 PWM特性和结构图 116

6.10.3 PWM寄存器列表 117

6.10.4 通过PWMCFG寄存器进行配置 118

6.10.5 计数器计数值PWMCOUNT寄存器和PWM周期 119

6.10.6 计数器比较值PWMS寄存器 120

6.10.7 PWM接口数据线 121

6.10.8 产生左对齐或者右对齐的脉冲信号 121

6.10.9 产生居中对齐的脉冲信号 122

6.10.10 配置pwmcmpgang结连产生任意形状的脉冲信号 124

6.10.11 配置pwmdeglitch防止输出毛刺 124

6.10.12 PWM产生中断 124

6.11 WDT 125

6.11.1 WDT背景知识简介 125

6.11.2 WDT特性和结构图 125

6.11.3 WDT寄存器列表 126

6.11.4 通过WDOGCFG寄存器进行配置 127

6.11.5 计数器计数值WDOGCOUNT寄存器 128

6.11.6 通过WDOGKEY寄存器解锁 128

6.11.7 通过WDOGFEED寄存器喂狗 129

6.11.8 计数器比较值WDOGS寄存器 129

6.11.9 通过WDOGCMP寄存器配置阈值 130

6.11.10 WDT产生全局复位 130

6.11.11 WDT产生中断 130

6.12 RTC 131

6.12.1 RTC背景知识简介 131

6.12.2 RTC特性和结构图 131

6.12.3 RTC寄存器列表 131

6.12.4 通过RTCCFG寄存器进行配置 132

6.12.5 计数器计数值RTCHI/RTCLO寄存器 133

6.12.6 计数器比较值RTCS寄存器 133

6.12.7 通过RTCCMP寄存器配置阈值 134

6.12.8 RTC产生中断 134

6.13 PMU 134

6.13.1 PMU背景知识简介 134

6.13.2 PMU特性和结构图 135

6.13.3 PMU寄存器列表 136

6.13.4 通过PMUKEY寄存器解锁 136

6.13.5 通过PMUSLEEP寄存器进入休眠模式 137

6.13.6 通过PMUSLEEPI寄存器配置休眠指令序列 137

6.13.7 通过PMUBACKUP寄存器保存关键信息 139

6.13.8 通过PMUIE寄存器配置唤醒条件 139

6.13.9 通过PMUWAKEUPI寄存器配置唤醒指令序列 140

6.13.10 通过PMUCAUSE寄存器查看唤醒原因 141

第7章 开源蜂鸟E203 MCU开发板与调试器 143

7.1 蜂鸟E203 MCU开发板 143

7.2 蜂鸟E203 JTAG调试器 143

第8章 编译过程简介 145

8.1 GCC工具链介绍 145

8.1.1 GCC工具链概述 145

8.1.2 Binutils 146

8.1.3 C运行库 147

8.1.4 GCC命令行选项 148

8.2 准备工作 148

8.2.1 Linux安装 148

8.2.2 准备Hello World程序 148

8.3 编译过程 149

8.3.1 预处理 149

8.3.2 编译 150

8.3.3 汇编 150

8.3.4 链接 151

8.3.5 一步到位的编译 153

8.4 分析ELF文件 153

8.4.1 ELF文件介绍 153

8.4.2 ELF文件的段 154

8.4.3 查看ELF文件 154

8.4.4 反汇编 155

8.5 嵌入式系统编译的特殊性 156

8.6 本章小结 156

第9章 嵌入式开发特点与RISC-V GCC工具链 158

9.1 嵌入式系统开发特点 158

9.1.1 交叉编译和远程调试 158

9.1.2 移植newlib或newlib-nano作为C运行库 159

9.1.3 嵌入式引导程序和中断异常处理 160

9.1.4 嵌入式系统链接脚本 160

9.1.5 减少代码体积 161

9.1.6 支持printf函数 161

9.1.7 提供板级支持包 162

9.2 RISC-V GCC工具链简介 162

9.2.1 RISC-V GCC工具链种类 162

9.2.2 riscv-none-embed工具链下载 163

9.2.3 RISC-V GCC工具链的(–march=)和(–mabi=)选项 164

9.2.4 RISC-V GCC工具链的(–mcmodel=)选项 168

9.2.5 RISC-V GCC工具链的其他选项 169

9.2.6 RISC-V GCC工具链的预定义宏 170

9.2.7 RISC-V GCC工具链使用实例 170

第 10章 RISC-V汇编语言程序设计 171

10.1 汇编语言简介 171

10.2 RISC-V汇编程序概述 172

10.3 RISC-V汇编指令 173

10.4 RISC-V汇编程序伪操作 173

10.5 RISC-V汇编程序示例 177

10.5.1 定义标签 177

10.5.2 定义宏 178

10.5.3 定义常数 178

10.5.4 立即数赋值 178

10.5.5 标签地址赋值 179

10.5.6 设置浮点舍入模式 179

10.5.7 完整实例 180

10.6 在C/C++程序中嵌入汇编 181

10.6.1 GCC内联汇编简述 181

10.6.2 GCC内联汇编“输出操作数”和“输入操作数”部分 182

10.6.3 GCC内联汇编“可能影响的寄存器或存储器”部分 183

10.6.4 GCC内联汇编参考实例一 184

10.6.5 GCC内联汇编参考实例二 185

10.6.6 小结 186

10.7 在汇编中调用C/C++函数 186

10.8 本章小结 187

第 11章 基于HBird-E-SDK平台的软件开发与运行 188

11.1 HBird-E-SDK平台简介 188

11.2 HBird-E-SDK平台代码结构 189

11.3 HBird-E-SDK板级支持包解析 190

11.3.1 移植了Newlib桩函数 190

11.3.2 支持了printf函数 192

11.3.3 提供系统链接脚本 193

11.3.4 系统启动引导程序 198

11.3.5 系统异常和中断处理 202

11.3.6 减少代码体积 206

11.4 使用HBird-E-SDK开发和编译程序 208

11.4.1 在HBird-E-SDK环境中安装工具链 208

11.4.2 在HBird-E-SDK环境中开发程序 210

11.4.3 编译使得程序从Flash直接运行 211

11.4.4 编译使得程序从ITCM中运行 212

11.4.5 编译使得程序从Flash上载至ITCM中运行 213

11.5 使用HBird-E-SDK下载程序 213

11.5.1 JTAG调试器与MCU原型开发板的连接 213

11.5.2 设置JTAG调试器在Linux系统中的USB权限 214

11.5.3 将程序下载至MCU原型开发板 216

11.6 在MCU原型开发板上运行程序 216

11.6.1 程序从Flash直接运行 217

11.6.2 程序从ITCM中运行 217

11.6.3 程序从Flash上载至ITCM中运行 218

11.7 使用GDB远程调试程序 218

11.7.1 调试器工作原理 218

11.7.2 GDB常用操作示例 220

11.7.3 使用GDB调试Hello World示例 221

第 12章 开源蜂鸟E203 MCU的更多示例程序 226

12.1 Dhrystone示例程序 226

12.1.1 Dhrystone示例程序功能简介 226

12.1.2 Dhrystone示例程序代码结构 229

12.1.3 运行Dhrystone 229

12.2  CoreMark示例程序 231

12.2.1 CoreMark示例程序功能简介 231

12.2.2 CoreMark示例程序代码结构 232

12.2.3 运行CoreMark 233

12.3 Demo_IASM示例程序 234

12.3.1 Demo_IASM示例程序功能简介 234

12.3.2 Demo_IASM示例程序代码结构 234

12.3.3 Demo_IASM示例程序源码解析 235

12.3.4 运行Demo_IASM 235

12.4 Demo_GPIO示例程序 236

12.4.1 Demo_GPIO示例程序功能简介 236

12.4.2 Demo_GPIO示例程序代码结构 237

12.4.3 Demo_GPIO示例程序源码分析 237

12.4.4 运行Demo_GPIO 243

12.5 中断嵌套 244

第 13章 Windows IDE集成开发调试环境 245

13.1 MCU Eclipse IDE简介与安装 245

13.1.1 MCU Eclipse IDE简介 245

13.1.2 RISC-V MCU Eclipse下载 246

13.1.3 RISC-V MCU Eclipse安装 247

13.2 启动Eclipse 248

13.3 创建Hello World项目 249

13.4 配置Hello World项目 253

13.4.1 配置工具链路径 253

13.4.2 配置项目的编译和链接选项 256

13.4.3 配置项目的BSP 262

13.4.4 配置项目的包含路径和文件 265

13.5 编译Hello World项目 267

13.6 运行Hello World项目 269

13.6.1 安装JTAG调试器在Windows系统中的USB驱动 269

13.6.2 通过Eclipse下载程序至MCU开发板 270

13.6.3 在MCU开发板上运行程序 274

13.7 调试Hello World项目 276

13.8 拓展一:基于MCU Eclipse运行调试demo_gpio示例 280

13.9 拓展二:基于MCU Eclipse运行调试dhrystone示例 281

第 14章 开源蜂鸟E203 MCU开发板移植RTOS 283

14.1 RTOS简述 283

14.2 常用实时操作系统概述 284

14.3 FreeRTOS简介 285

14.4 蜂鸟E203 MCU移植RTOS 286

附录A RISC-V架构指令集介绍 287

A.1 RV32GC架构概述 287

A.2 RV32E架构概述 288

A.3 蜂鸟E203支持的指令列表 288

A.4 寄存器组 288

A.4.1 通用寄存器组 289

A.4.2 CSR寄存器 290

A.5 指令PC 290

A.6 寻址空间划分 290

A.7 大端格式或小端格式 290

A.8 工作模式 290

A.9 Hart概念 291

A.10 复位状态 291

A.11 中断和异常 292

A.12 存储器地址管理 292

A.13 存储器模型 292

A.14 指令类型 293

A.14.1 RV32IMAFDC指令列表 293

A.14.2 基本整数指令(RV32I) 293

A.14.3 整数乘法和除法指令(RV32M指令子集) 302

A.14.4 浮点指令(RV32F,RV32D指令子集) 304

A.14.5 存储器原子操作指令(RV32A指令子集) 315

A.14.6 16位压缩指令(RV32C指令子集) 318

A.15 伪指令 320

A.16 指令编码 320

附录B RISC-V架构CSR寄存器介绍 321

B.1 蜂鸟E203支持的CSR寄存器列表 321

B.2 RISC-V标准CSR 322

B.2.1 misa 322

B.2.2 mvendorid 323

B.2.3 marchid 323

B.2.4 mimpid 323

B.2.5 mhartid 324

B.2.6 fflags 324

B.2.7 frm 324

B.2.8 fcsr 324

B.2.9 mstatus 324

B.2.10 mtvec 326

B.2.11 mepc 326

B.2.12 mcause 327

B.2.13 mtval (mbadaddr) 327

B.2.14 mie 328

B.2.15 mip 328

B.2.16 mscratch 328

B.2.17 mcycle和mcycleh 329

B.2.18 minstret和minstreth 329

B.2.19 mtime、mtimecmp和msip 329

B.3 蜂鸟E203自定义CSR 330mcounterstop 330

附录C RISC-V架构的PLIC介绍 331

C.1 概述 331

C.2 PLIC中断目标 332PLIC中断目标之阈值 333

C.3 PLIC中断源 333

C.3.1 PLIC中断源之闸口(Gateway)和IP 334

C.3.2 PLIC中断源之编号(ID) 334

C.3.3 PLIC中断源之优先级(Priority) 334

C.3.4 PLIC中断源之中断使能(Enable) 334

C.4 PLIC中断处理机制 335

C.4.1 PLIC中断通知机制(Notification) 335

C.4.2 PLIC中断响应机制(Claim) 335

C.4.3 PLIC中断完成机制(Completion) 336

C.4.4 PLIC中断完整流程 336

C.5 PLIC寄存器总结 337

C.6 总结与比较 339

附录D 存储器模型背景介绍 340

D.1 为何要有存储器模型的概念 340

D.2 存储器模型定义了什么 341

D.2.1 按序一致性模型 341

D.2.2 松散一致性模型 342

D.2.3 释放一致性模型 342

D.2.4 存储器模型总结 342

D.3 存储器模型应用实例 343

D.4 RISC-V架构的存储器模型 344

附录E 存储器原子操作指令背景介绍 345

E.1 什么是“上锁”问题 345

E.2 通过原子操作解决“上锁”问题 346

E.3 通过互斥操作解决“上锁”问题 346

E.4 RISC-V架构的相关指令 348

附录F RISC-V指令编码列表 349

F.1 RV32I指令编码 349

F.2 RV32M指令编码 350

F.3 RV32A指令编码 350

F.4 RV32F指令编码 350

F.5 RV32D指令编码 351

F.6 RVC指令编码 351

附录G RISC-V伪指令列表 353


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