漫谈LiteOS-LiteOS SDK支持RISC-V架构

皋陶

【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 Levels

Control 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

1. vector_base:
   
2.         j _start
   
3.         .align     2
   
4.         .word     0
   
5.         .word     0
   
6.         .word     osInterrupt #eclic_msip_handler
   
7.         .word     0
   
8.         .word     0
   
9.         .word    0
   
10.         .word    osInterrupt #eclic_mtip_handler

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B. 设置中断，异常等的入口地址

1. _start0800:
   
2.    
   
3.         /* Set the the NMI base to share with mtvec by setting CSR_MMISC_CTL */
   
4.         li t0, 0x200
   
5.         csrs CSR_MMISC_CTL, t0
   
6.    
   
7.         /* Intial the mtvt*/
   
8.         la t0, vector_base
   
9.         csrw CSR_MTVT, t0
   
10.    
    
11.         /* Intial the mtvt2 and enable it*/
    
12.         la t0, irq_entry
    
13.         csrw CSR_MTVT2, t0
    
14.         csrs CSR_MTVT2, 0x1
    
15.    
    
16.         /* Intial the CSR MTVEC for the Trap ane NMI base addr*/
    
17.         la t0, trap_entry
    
18.         csrw CSR_MTVEC, t0

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C.设置gp，sp，初始化data和bss section，然后跳转到main函数

1.     .option push
   
2.         .option norelax
   
3.         la gp, __global_pointer$
   
4.         .option pop
   
5.         la sp, _sp
   
6.    
   
7.         /* Load data section */
   
8.         la a0, _data_lma
   
9.         la a1, _data
   
10.         la a2, _edata
    
11.         bgeu a1, a2, 2f
    
12.     1:
    
13.         lw t0, (a0)
    
14.         sw t0, (a1)
    
15.         addi a0, a0, 4
    
16.         addi a1, a1, 4
    
17.         bltu a1, a2, 1b
    
18.     2:
    
19.         /* Clear bss section */
    
20.         la a0, __bss_start
    
21.         la a1, _end
    
22.         bgeu a0, a1, 2f
    
23.     1:
    
24.         sw zero, (a0)
    
25.         addi a0, a0, 4
    
26.         bltu a0, a1, 1b

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2. 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：

1.     pstContext->ra = (UINT32)osTaskExit;
   
2.     pstContext->sp = 0x02020202L;
   
3.     pstContext->gp = 0x03030303L;
   
4.     pstContext->tp = 0x04040404L;
   
5.     pstContext->t0 = 0x05050505L;
   
6.     pstContext->t1 = 0x06060606L;
   
7.     pstContext->t2 = 0x07070707L;
   
8.     pstContext->s0 = 0x08080808L;
   
9.     pstContext->s1 = 0x09090909L;
   
10.     pstContext->a0 = pstTaskCB->uwTaskID;         //a0 first argument
    
11.     pstContext->a1 = 0x11111111L;
    
12.     pstContext->a2 = 0x12121212L;
    
13.     pstContext->a3 = 0x13131313L;
    
14.     pstContext->a4 = 0x14141414L;
    
15.     pstContext->a5 = 0x15151515L;
    
16.     pstContext->a6 = 0x16161616L;
    
17.     pstContext->a7 = 0x17171717L;
    
18.     pstContext->s2 = 0x18181818L;
    
19.     pstContext->s3 = 0x19191919L;
    
20.     pstContext->s4 = 0x20202020L;
    
21.     pstContext->s5 = 0x21212121L;
    
22.     pstContext->s6 = 0x22222222L;
    
23.     pstContext->s7 = 0x23232323L;
    
24.     pstContext->s8 = 0x24242424L;
    
25.     pstContext->s9 = 0x25252525L;
    
26.     pstContext->s10 = 0x26262626L;
    
27.     pstContext->s11 = 0x27272727L;
    
28.     pstContext->t3 = 0x28282828L;
    
29.     pstContext->t4 = 0x29292929L;
    
30.     pstContext->t5 = 0x30303030L;
    
31.     pstContext->t6 = 0x31313131L;
    
32.     pstContext->mepc =(UINT32)osTaskEntry;

复制代码

LOS_IntLock的实现：

1.   LOS_IntLock:
   
2.         csrr    a0, mstatus
   
3.         li      t0, 0x08
   
4.         csrrc   zero, mstatus, t0
   
5.         ret

复制代码

LOS_IntUnLock的实现：

1. LOS_IntUnLock:
   
2.         csrr    a0, mstatus
   
3.         li      t0, 0x08
   
4.         csrrs   zero, mstatus, t0
   
5.         ret

复制代码

TaskSwitch的实现：

1. TaskSwitch:
   
2.         la      t0, g_stLosTask
   
3.         lw      t1, 0(t0)
   
4.         csrr    t2, mscratch
   
5.         sw      t2, 0(t1)
   
6.    
   
7.         //Clear the task running bit of pstRunTask.
   
8.         la      t0, g_stLosTask
   
9.         lw      t1, (t0)
   
10.         lb      t2, 0x4(t1)
    
11.         andi    t2, t2, OS_TASK_STATUS_NOT_RUNNING
    
12.         sb      t2, 0x4(t1)
    
13.    
    
14.         //copy pstNewTask into pstRunTask
    
15.         la      t0, g_stLosTask
    
16.         lw      t1, 0x4(t0)
    
17.         sw      t1, 0x0(t0)
    
18.    
    
19.         //set the task running bit=1
    
20.         lh      t2, 0x4(t1)
    
21.         ori     t2, t2, OS_TASK_STATUS_RUNNING
    
22.         sh      t2, 0x4(t1)
    
23.    
    
24.         //retireve stack pointer
    
25.         lw      sp, (t1)
    
26.    
    
27.         //retrieve the address at which exception happened
    
28.         lw      t0, 31 * 4(sp)
    
29.         csrw    mepc, t0
    
30.    
    
31.         li     t0, 0x1800
    
32.         csrs   mstatus, t0
    
33.    
    
34.         //retrieve the registers
    
35.         lw      ra, 0 * 4(sp)
    
36.    
    
37.         lw      t0, 4 * 4(sp)
    
38.         lw      t1, 5 * 4(sp)
    
39.         lw      t2, 6 * 4(sp)
    
40.         lw      s0, 7 * 4(sp)
    
41.         lw      s1, 8 * 4(sp)
    
42.         lw      a0, 9 * 4(sp)
    
43.         lw      a1, 10 * 4(sp)
    
44.         lw      a2, 11 * 4(sp)
    
45.         lw      a3, 12 * 4(sp)
    
46.         lw      a4, 13 * 4(sp)
    
47.         lw      a5, 14 * 4(sp)
    
48.         lw      a6, 15 * 4(sp)
    
49.         lw      a7, 16 * 4(sp)
    
50.         lw      s2, 17 * 4(sp)
    
51.         lw      s3, 18 * 4(sp)
    
52.         lw      s4, 19 * 4(sp)
    
53.         lw      s5, 20 * 4(sp)
    
54.         lw      s6, 21 * 4(sp)
    
55.         lw      s7, 22 * 4(sp)
    
56.         lw      s8, 23 * 4(sp)
    
57.         lw      s9, 24 * 4(sp)
    
58.         lw      s10, 25 * 4(sp)
    
59.         lw      s11, 26 * 4(sp)
    
60.         lw      t3, 27 * 4(sp)
    
61.         lw      t4, 28 * 4(sp)
    
62.         lw      t5, 29 * 4(sp)
    
63.         lw      t6, 30 * 4(sp)
    
64.    
    
65.         addi    sp, sp, 4 * 32
    
66.    
    
67.         mret

复制代码

3. 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

1. LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 osTickStart(VOID)
   
2.     {
   
3.         UINT32 uwRet;
   
4.    
   
5.         g_uwCyclesPerTick = OS_SYS_CLOCK / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;
   
6.         g_ullTickCount = 0;
   
7.    
   
8.         *(UINT64 *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIMECMP) = OS_SYS_CLOCK / LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND / 4;
   
9.    
   
10.         *(UINT64 *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIME) = 0;
    
11.         eclic_irq_enable(CLIC_INT_TMR, 1, 1);
    
12.         LOS_HwiCreate(CLIC_INT_TMR, 3, 0, eclic_mtip_handler, 0);
    
13.    
    
14.         g_bSysTickStart = TRUE;
    
15.    
    
16.         return LOS_OK;
    
17.     }

复制代码

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[OS_VECTOR_CNT]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：

1. irq_entry: // -------------> This label will be set to MTVT2 register
   
2.         // Allocate the stack space
   
3.         
   
4.         SAVE_CONTEXT// Save 16 regs
   
5.         
   
6.         //------This special CSR read operation, which is actually use mcause as operand to directly store it to memory
   
7.         csrrwi  x0, CSR_PUSHMCAUSE, 17
   
8.         //------This special CSR read operation, which is actually use mepc as operand to directly store it to memory
   
9.         csrrwi  x0, CSR_PUSHMEPC, 18
   
10.         //------This special CSR read operation, which is actually use Msubm as operand to directly store it to memory
    
11.         csrrwi  x0, CSR_PUSHMSUBM, 19
    
12.         
    
13.         la t0, g_int_cnt
    
14.         lw t1, 0(t0)
    
15.         addi t1, t1, 1
    
16.         sw t1, 0(t0)
    
17.         li t2, 1
    
18.         bgtu t1,t2,service_loop
    
19.         
    
20.         csrw mscratch, sp
    
21.         la sp, __irq_stack_top

复制代码

service_loop:

1. //------This special CSR read/write operation, which is actually Claim the CLIC to find its pending highest
   
2.         // ID, if the ID is not 0, then automatically enable the mstatus.MIE, and jump to its vector-entry-label, and
   
3.         // update the link register
   
4.         csrrw ra, CSR_JALMNXTI, ra
   
5.    
   
6.         //RESTORE_CONTEXT_EXCPT_X5
   
7.         
   
8.         la t0, g_int_cnt
   
9.         lw t1, 0(t0)
   
10.         addi t1, t1, -1
    
11.         sw t1, 0(t0)
    
12.         bnez t1, _rfi
    
13.         
    
14.         csrr sp, mscratch
    
15.         
    
16.         DISABLE_MIE # Disable interrupts
    
17.         
    
18.         LOAD x5,  19*REGBYTES(sp)
    
19.         csrw CSR_MSUBM, x5
    
20.         LOAD x5,  18*REGBYTES(sp)
    
21.         csrw CSR_MEPC, x5
    
22.         LOAD x5,  17*REGBYTES(sp)
    
23.         csrw CSR_MCAUSE, x5
    
24.         
    
25.         la t0, g_usLosTaskLock
    
26.         lw t1, 0(t0)
    
27.         bnez t1, _rfi
    
28.         
    
29.         la      t0, g_stLosTask
    
30.         lw      t1, 0x4(t0)
    
31.         lw      t2, 0x0(t0)
    
32.         beq  t1, t2, _rfi
    
33.         
    
34.         RESTORE_CONTEXT
    
35.         
    
36.         push_reg
    
37.         csrr t0, mepc
    
38.         sw t0, 31*4(sp)
    
39.         csrw mscratch, sp
    
40.         j TaskSwitch

复制代码

_rfi:

1. RESTORE_CONTEXT
   
2.         // Return to regular code
   
3.         mret

复制代码

6. 编译链接脚本的调整

几个关键的设置:

irq stack内存区域：

1. __stack_size = DEFINED(__stack_size) ? __stack_size : 2K;
   
2.         __irq_stack_size = DEFINED(__irq_stack_size) ? __irq_stack_size : 2K;
   
3.         __heap_size = DEFINED(__heap_size) ? __heap_size : 0xc00;

复制代码

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：

1.    PROVIDE( __global_pointer$ = . + 0x800);

复制代码

堆栈的设定：

1.   .stack : ALIGN(0x10)
   
2.     {
   
3.         . += __stack_size;  
   
4.         PROVIDE( _sp = . );
   
5.         . = ALIGN(0x10);
   
6.         PROVIDE( __irq_stack_bottom = . );
   
7.         . += __irq_stack_size;
   
8.         PROVIDE( __irq_stack_top = . );
   
9.     } >ram AT>ram
   
10.    
    
11.     .heap : ALIGN(0x10)
    
12.     {
    
13.         PROVIDE( __los_heap_addr_start__ = . );
    
14.         . = __heap_size;
    
15.         . = __heap_size == 0 ? 0 : ORIGIN(ram) + LENGTH(ram);
    
16.         PROVIDE( __los_heap_addr_end__ = . );
    
17.         PROVIDE( _heap_end = . );
    
18.     } >ram AT>ram

复制代码

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。

本篇完，感谢关注：RISC-V单片机中文网