皋陶 发表于 2020-8-24 23:39:28

漫谈LiteOS-LiteOS SDK支持RISC-V架构

本帖最后由 皋陶 于 2020-8-25 18:09 编辑

【摘要】 本文首先对RISC-V的架构做了简要的介绍,在此基础上实现了LiteOS在RISC-V架构上的适配过程的具体步骤,希望对你有所帮助。
1 RISC-V架构简介RISC-V是一个基于精简指令集(RISC)原则的开源指令集架构(ISA)。
与大多数指令集相比,RISC-V指令集可以自由地用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件而不必支付给任何公司专利费。
RISC-V指令集的设计考虑了小型、快速、低功耗的现实情况来实做,但并没有对特定的微架构做过度的设计。
RISC-V的Spec文档可以在RISC-C官网https://riscv.org/specifications/ 上下载。主要看riscv-privileged.pdf和riscv-spec.pdf。
主要精读的内容包括:
RV32ICM Instruction Set    I:RV32I Base Integer Instruction Set    C:Standard Extension for Compressed Instructions    M:Standard Extension for Integer Multiplication and Division
Privilege LevelsControl and Status Registers (CSRs)Machine-Level ISA
在了解通用的RV32架构之后,由于RV32是开源的ISA架构,所以实际芯片都会在此基础上做一些定制化,因此需要再读一下芯片手册,LiteOS的RISC-V架构支持使用的芯片是GD32VF103,请下载GD32VF103 的Spec进行阅览。
2 LiteOS支持一种处理器RTOS支持一种新的处理器架构,最主要的修改有以下几个方面:
1.启动汇编的适配2.适配系统调度汇编3.Tick的适配4.根据芯片设置系统相关参数5.适配中断管理模块6.编译链接脚本的调整
那么,对应到LiteOS,主要修改的目录和文件是:LiteOS_Lab\iot_link\os\liteos\arch\riscv\src中
los_dispatch.S
los_hw.c
los_hw_tick.c
los_hwi.c
和对应芯片target目录下的start.S启动汇编以及ld链接脚本。
步骤如下:
1. start.S
A. 和RISC-V的异常中断处理密切相关,注意向量表的对齐vector_base:
      j _start
      .align   2
      .word   0
      .word   0
      .word   osInterrupt #eclic_msip_handler
      .word   0
      .word   0
      .word    0
      .word    osInterrupt #eclic_mtip_handlerB. 设置中断,异常等的入口地址_start0800:
   
      /* Set the the NMI base to share with mtvec by setting CSR_MMISC_CTL */
      li t0, 0x200
      csrs CSR_MMISC_CTL, t0
   
      /* Intial the mtvt*/
      la t0, vector_base
      csrw CSR_MTVT, t0
   
      /* Intial the mtvt2 and enable it*/
      la t0, irq_entry
      csrw CSR_MTVT2, t0
      csrs CSR_MTVT2, 0x1
   
      /* Intial the CSR MTVEC for the Trap ane NMI base addr*/
      la t0, trap_entry
      csrw CSR_MTVEC, t0C.设置gp,sp,初始化data和bss section,然后跳转到main函数    .option push
      .option norelax
      la gp, __global_pointer$
      .option pop
      la sp, _sp
   
      /* Load data section */
      la a0, _data_lma
      la a1, _data
      la a2, _edata
      bgeu a1, a2, 2f
    1:
      lw t0, (a0)
      sw t0, (a1)
      addi a0, a0, 4
      addi a1, a1, 4
      bltu a1, a2, 1b
    2:
      /* Clear bss section */
      la a0, __bss_start
      la a1, _end
      bgeu a0, a1, 2f
    1:
      sw zero, (a0)
      addi a0, a0, 4
      bltu a0, a1, 1b2. 适配系统调度汇编(los_dispatch.s),主要修改函数LOS_StartToRun、LOS_IntLock、LOS_IntUnLock、TaskSwitch等;
任务栈的设计,在osTskStackInit中针对RISC-V的寄存器的定义,做出context的设计:    pstContext->ra = (UINT32)osTaskExit;
    pstContext->sp = 0x02020202L;
    pstContext->gp = 0x03030303L;
    pstContext->tp = 0x04040404L;
    pstContext->t0 = 0x05050505L;
    pstContext->t1 = 0x06060606L;
    pstContext->t2 = 0x07070707L;
    pstContext->s0 = 0x08080808L;
    pstContext->s1 = 0x09090909L;
    pstContext->a0 = pstTaskCB->uwTaskID;         //a0 first argument
    pstContext->a1 = 0x11111111L;
    pstContext->a2 = 0x12121212L;
    pstContext->a3 = 0x13131313L;
    pstContext->a4 = 0x14141414L;
    pstContext->a5 = 0x15151515L;
    pstContext->a6 = 0x16161616L;
    pstContext->a7 = 0x17171717L;
    pstContext->s2 = 0x18181818L;
    pstContext->s3 = 0x19191919L;
    pstContext->s4 = 0x20202020L;
    pstContext->s5 = 0x21212121L;
    pstContext->s6 = 0x22222222L;
    pstContext->s7 = 0x23232323L;
    pstContext->s8 = 0x24242424L;
    pstContext->s9 = 0x25252525L;
    pstContext->s10 = 0x26262626L;
    pstContext->s11 = 0x27272727L;
    pstContext->t3 = 0x28282828L;
    pstContext->t4 = 0x29292929L;
    pstContext->t5 = 0x30303030L;
    pstContext->t6 = 0x31313131L;
    pstContext->mepc =(UINT32)osTaskEntry;LOS_IntLock的实现:LOS_IntLock:
      csrr    a0, mstatus
      li      t0, 0x08
      csrrc   zero, mstatus, t0
      retLOS_IntUnLock的实现:LOS_IntUnLock:
      csrr    a0, mstatus
      li      t0, 0x08
      csrrs   zero, mstatus, t0
      retTaskSwitch的实现:TaskSwitch:
      la      t0, g_stLosTask
      lw      t1, 0(t0)
      csrr    t2, mscratch
      sw      t2, 0(t1)
   
      //Clear the task running bit of pstRunTask.
      la      t0, g_stLosTask
      lw      t1, (t0)
      lb      t2, 0x4(t1)
      andi    t2, t2, OS_TASK_STATUS_NOT_RUNNING
      sb      t2, 0x4(t1)
   
      //copy pstNewTask into pstRunTask
      la      t0, g_stLosTask
      lw      t1, 0x4(t0)
      sw      t1, 0x0(t0)
   
      //set the task running bit=1
      lh      t2, 0x4(t1)
      ori   t2, t2, OS_TASK_STATUS_RUNNING
      sh      t2, 0x4(t1)
   
      //retireve stack pointer
      lw      sp, (t1)
   
      //retrieve the address at which exception happened
      lw      t0, 31 * 4(sp)
      csrw    mepc, t0
   
      li   t0, 0x1800
      csrs   mstatus, t0
   
      //retrieve the registers
      lw      ra, 0 * 4(sp)
   
      lw      t0, 4 * 4(sp)
      lw      t1, 5 * 4(sp)
      lw      t2, 6 * 4(sp)
      lw      s0, 7 * 4(sp)
      lw      s1, 8 * 4(sp)
      lw      a0, 9 * 4(sp)
      lw      a1, 10 * 4(sp)
      lw      a2, 11 * 4(sp)
      lw      a3, 12 * 4(sp)
      lw      a4, 13 * 4(sp)
      lw      a5, 14 * 4(sp)
      lw      a6, 15 * 4(sp)
      lw      a7, 16 * 4(sp)
      lw      s2, 17 * 4(sp)
      lw      s3, 18 * 4(sp)
      lw      s4, 19 * 4(sp)
      lw      s5, 20 * 4(sp)
      lw      s6, 21 * 4(sp)
      lw      s7, 22 * 4(sp)
      lw      s8, 23 * 4(sp)
      lw      s9, 24 * 4(sp)
      lw      s10, 25 * 4(sp)
      lw      s11, 26 * 4(sp)
      lw      t3, 27 * 4(sp)
      lw      t4, 28 * 4(sp)
      lw      t5, 29 * 4(sp)
      lw      t6, 30 * 4(sp)
   
      addi    sp, sp, 4 * 32
   
      mret3. Tick的适配
osTickStart的启动:
MTIMECMP和MTIME寄存器的设定,TIMER中断的使能,TIMER中断处理函数的注册 LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 osTickStart(VOID)
    {
      UINT32 uwRet;
   
      g_uwCyclesPerTick = OS_SYS_CLOCK / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;
      g_ullTickCount = 0;
   
      *(UINT64 *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIMECMP) = OS_SYS_CLOCK / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND / 4;
   
      *(UINT64 *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIME) = 0;
      eclic_irq_enable(CLIC_INT_TMR, 1, 1);
      LOS_HwiCreate(CLIC_INT_TMR, 3, 0, eclic_mtip_handler, 0);
   
      g_bSysTickStart = TRUE;
   
      return LOS_OK;
    }4. 根据芯片设置系统相关参数(时钟频率,tick中断配置,los_config.h系统参数配置(内存池大小、信号量、队列、互斥锁,软件定时器数量等));
根据实际开发板的资源和实际使用需求,配置target_config.h的参数和选项。
5. 适配中断管理模块,LiteOS的中断向量表由m_pstHwiForm数组管理,需要根据芯片配置中断使能,重定向等;A.在los_hwi.c和los_hwi.h中根据实际芯片的中断向量数目和驱动做一些调整B.在entry.S中设计irq_entry的处理,需要注意的是需要单独在irq stack中处理中断嵌套: irq_entry: // -------------> This label will be set to MTVT2 register
      // Allocate the stack space
      
      SAVE_CONTEXT// Save 16 regs
      
      //------This special CSR read operation, which is actually use mcause as operand to directly store it to memory
      csrrwix0, CSR_PUSHMCAUSE, 17
      //------This special CSR read operation, which is actually use mepc as operand to directly store it to memory
      csrrwix0, CSR_PUSHMEPC, 18
      //------This special CSR read operation, which is actually use Msubm as operand to directly store it to memory
      csrrwix0, CSR_PUSHMSUBM, 19
      
      la t0, g_int_cnt
      lw t1, 0(t0)
      addi t1, t1, 1
      sw t1, 0(t0)
      li t2, 1
      bgtu t1,t2,service_loop
      
      csrw mscratch, sp
      la sp, __irq_stack_topservice_loop://------This special CSR read/write operation, which is actually Claim the CLIC to find its pending highest
      // ID, if the ID is not 0, then automatically enable the mstatus.MIE, and jump to its vector-entry-label, and
      // update the link register
      csrrw ra, CSR_JALMNXTI, ra
   
      //RESTORE_CONTEXT_EXCPT_X5
      
      la t0, g_int_cnt
      lw t1, 0(t0)
      addi t1, t1, -1
      sw t1, 0(t0)
      bnez t1, _rfi
      
      csrr sp, mscratch
      
      DISABLE_MIE # Disable interrupts
      
      LOAD x5,19*REGBYTES(sp)
      csrw CSR_MSUBM, x5
      LOAD x5,18*REGBYTES(sp)
      csrw CSR_MEPC, x5
      LOAD x5,17*REGBYTES(sp)
      csrw CSR_MCAUSE, x5
      
      la t0, g_usLosTaskLock
      lw t1, 0(t0)
      bnez t1, _rfi
      
      la      t0, g_stLosTask
      lw      t1, 0x4(t0)
      lw      t2, 0x0(t0)
      beqt1, t2, _rfi
      
      RESTORE_CONTEXT
      
      push_reg
      csrr t0, mepc
      sw t0, 31*4(sp)
      csrw mscratch, sp
      j TaskSwitch_rfi:RESTORE_CONTEXT
      // Return to regular code
      mret6. 编译链接脚本的调整几个关键的设置:irq stack内存区域: __stack_size = DEFINED(__stack_size) ? __stack_size : 2K;
      __irq_stack_size = DEFINED(__irq_stack_size) ? __irq_stack_size : 2K;
      __heap_size = DEFINED(__heap_size) ? __heap_size : 0xc00;gp初始值的设定:gp用于代码的优化,因为请合理选择__global_pointer的初值:   PROVIDE( __global_pointer$ = . + 0x800);堆栈的设定:.stack : ALIGN(0x10)
    {
      . += __stack_size;
      PROVIDE( _sp = . );
      . = ALIGN(0x10);
      PROVIDE( __irq_stack_bottom = . );
      . += __irq_stack_size;
      PROVIDE( __irq_stack_top = . );
    } >ram AT>ram
   
    .heap : ALIGN(0x10)
    {
      PROVIDE( __los_heap_addr_start__ = . );
      . = __heap_size;
      . = __heap_size == 0 ? 0 : ORIGIN(ram) + LENGTH(ram);
      PROVIDE( __los_heap_addr_end__ = . );
      PROVIDE( _heap_end = . );
    } >ram AT>ram主要的步骤已经整体讲述了,顺利移植的主要前提条件是对RISC-V处理器架构的全面理解和LiteOS任务调度的设计,所以再次提醒精读riscv-privileged.pdf和riscv-spec.pdf的相关章节。在移植过程中,会遇到很多问题,建议使用IoT Studio的开发调试环境,方便的进行汇编级的单步调试,另外把串口驱动和printf打印调通,也是一种较重要的调试手段。
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