OPENHW开源CORE-V-MCU移植RT-Thread

RTThread物联网操作系统 2023-02-01 1676

RTThread物联网操作系统

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描述

项目背景

OpenHW Group 是一个以协作方式开发开源硬件和相关软件的非营利组织，致力于开发、验证和提供开源处理器内核。OpenHW Group的开源项目致力于开发和验证基于免费和开放的RISC-V指令集架构 (ISA) 系列内核，称为 CORE-V系列。CV32E40P 开源处理器 IP 内核，这是 OpenHW CORE-V 系列中第一个经过全面验证的内核。本文的对象就是基于CV32E40P实现的开源CORE-V-MCU移植RT-Thread。

CORE-V-MCU目前是以软核的形式在FPGA上进行了实现，中科院 PLCT 实验室针对CV32E40P内核的CORE-V-MCU适配了QEMU,本文最终的验证在QEMU上进行。

 

前期准备

开发环境：ubuntu18.04

验证示例工程

本次实验验证的平台是PLCT提供的QEMU，在Linux下的QEMU可以使用上述的笔者编译好的，也可以使用自己尝试编译PLCT提供的源码。

OPENHW提供了基于FreeRTOS的示例工程，由于使用的是PLCT提供的QEMU，所以IDE中自带的工程并不能直接使用，为了避免不必要的麻烦，本文采用PLCT提供的示例工程。

下载好示例工程,进入到app目录，执行以下命令配置编译工程：

source ../env/core-v-mcu.sh

make RISCV=xxx //xxx为工具链的路径

编译完成后将生成的cli_test可执行文件拷到qemu的安装目录，运行下述命令验证工程;

./qemu-system-riscv32 -M core_v_mcu -bios none -kernel cli_test -nographic -monitor none -serial stdio

运行结果：

RT-Thread

出现上述结果，则表示示例工程运行正常，这样我们就有一个可移植的模板工程，后续移植基于该工程开展。

移植RT-Thread

CV32E40P内核是一个RISC-V架构的内核，移植RTOS不可避免的会涉及到汇编部分的修改，所以在移植前期学习一下RISC-V架构与汇编会产生事半功倍的效果，同样在一之前需要熟悉CV32E40P的内核资源。

（https://docs.openhwgroup.org/projects/core-v-mcu/doc-src/overview.html）

cv32e40p继承自pulp开源的RI5CY内核，而RI5CY内核的对接代码在RT-Thread的仓库libcpu/riscv/rv32m1已经实现，所以以RI5CY中的代码为基础，移植cv32e40p的对接代码。

成功移植RT-Thread有如下几个关键的阶段：

  • 节拍定时器正常工作

  • 线程可以正常创建，调度（这步最难，需要前面好多工作来保证）

  • shell可以正常使用（从这开始就顺利多了）

RTOS的最小时间单位是系统节拍，系统正常工作需要节拍定时器的支持，因而以节拍定时器的移植为切入点展开移植。

core-v-mcu.c中放置的是系统初始化，中断处理相关代码。其中system_init函数完成了时钟初始化，串口，I2C等外设的初始化，以及中断函数的绑定。在文件的开头可以找到如下一个指针数组：

1void (*isr_table[32])(uint32_t);

该数组用于绑定中断入口函数。

1for (int i = 0 ; i < 32 ; i ++){
2    isr_table[i] = undefined_handler;
3    handler_count[i] = 0;
4}
5    isr_table[0x7] = timer_irq_handler;
6    isr_table[0xb] = (void(*)(uint32_t))fc_soc_event_handlzer1;

在system_init函数中我们可以找到上述代码，浏览该文件我们可以知道，timer_irq_handler即系统定时器的中断入口函数，

在原有FreeRTOS工程中该函数内容如下：

1void timer_irq_handler(uint32_t mcause)
2{
3#warning requires critical section if interrupt nesting is used.
4    if (xTaskIncrementTick() != 0) {
5        vTaskSwitchContext();
6    }
7}

该函数实现系统节拍的产生，所以将这里的内容修改为RT-Thread的节拍产生的方式，修改如下：

1void timer_irq_handler(uint32_t mcause)
2{
3#warning requires critical section if interrupt nesting is used.
4    rt_interrupt_enter();
5    rt_tick_increase();
6    rt_interrupt_leaves();
7}

涉及到中断，我们就得考虑系统的中断的实现方式，中断一般会分为向量中断与非向量中断。RISC-V常在启动后文件中进行中断模式的配置。从crt0.S文件可以找到如下代码：

1/* set vector table address */
2    la a0, __vector_start
3    or a0, a0, 1 /* enable vectored mode (hardcoded anyway for CV32E40P) */
4    csrw mtvec, a0

RISC-V规范定义中断、异常的入口地址，以及模式使用mtvec寄存器配置，上述代码将系统的中断模式配置为了向量模式，向量模式下，每个函数均包含一个独立的入口函数用来处理中断。所以我们切换至写中断向量表的文件vector.S,我们可以很明显的看到一段代码,从名字就可以看出下面是一张向量表 ：

 1vector_table:
 2    j freertos_risc_v_trap_handler  // irq0
 3    j freertos_risc_v_trap_handler
 4    j freertos_risc_v_trap_handler
 5    j freertos_risc_v_trap_handler  // irq3
 6    j freertos_risc_v_trap_handler
 7    j freertos_risc_v_trap_handler
 8    j freertos_risc_v_trap_handler
 9    j freertos_risc_v_trap_handler //ctxt_handler  // irq 7 mtime or timer
10    j freertos_risc_v_trap_handler
11    j freertos_risc_v_trap_handler
12    j h7// freertos_risc_v_trap_handler
13    j freertos_risc_v_trap_handler // irq 11 Machine (event Fifo)
14    j freertos_risc_v_trap_handler
15    j freertos_risc_v_trap_handler
16    j freertos_risc_v_trap_handler
17    j freertos_risc_v_trap_handler
18    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ16
19    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ17
20    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ18
21    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ19
22    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ20
23    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ21
24    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ22
25    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ23
26    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ24
27    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ25
28    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ26
29    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ27
30    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ28
31    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ29
32    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ30
33    j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ30

PS:上述向量表看的我懵了好久啊，相信对于刚接触底层不久的小伙伴也会有同样的感受吧，向量表不是一张多姿多彩的表吗，怎么感觉都一样啊？？？不急，我们在看一下core-v-mcu.c这个文件，又会发现一段非常显眼的代码：

1void vSystemIrqHandler(uint32_t mcause)
2{
3    uint32_t val = 0;
4//    extern void (*isr_table[32])(uint32_t);
5    isr_table[mcause & 0x1f](mcause & 0x1f);
6}


		

		
结合上文，思考一下大致可以明白这个函数的作用了：分发中断。即所有的异常与中断触发后均会执行这个函数，那我们全局搜索一下这个函数，

		
找一下是哪里调用了.全局搜索可以找到如下代码：

		
1CPPFLAGS += -DportasmHANDLE_INTERRUPT=vSystemIrqHandler


			

			

			
继续搜索DportasmHANDLE_INTERRUPT可从portASM.S找到如下代码;

			
1load_x sp, xISRStackTop                /* Switch to ISR stack before function call. */
2jal portasmHANDLE_INTERRUPT        
3j processed_source


			

			

			

				浏览代码可知，系统触发中断或异常后最终均会执行vSystemIrqHandler函数，该函数是在freertos_risc_v_trap_handler函数中被调用，至此我们大致可以明白整个过程了，当中断或者异常出发后，会查询向量表，执行freertos_risc_v_trap_handler函数，该函数会调用vSystemIrqHandler，经其分发后最终执行到系统初始化时绑定的中断入口函数。

			

				 

			

				在RT-Thread 中由interrupt_gcc.S中的函数实现vSystemIrqHandler函数的调用，所以我们修改中断向量表的内容如下：

			
 1vector_table:
 2    j IRQ_Handler  // irq0
 3    j IRQ_Handler
 4    j IRQ_Handler
 5    j IRQ_Handler  // irq3
 6    j IRQ_Handler
 7    j IRQ_Handler
 8    j IRQ_Handler
 9    j IRQ_Handler //ctxt_handler  // irq 7 mtime or timer
10    j IRQ_Handler
11    j IRQ_Handler
12    j IRQ_Handler // IRQ_Handler
13    j IRQ_Handler // irq 11 Machine (event Fifo)
14    j IRQ_Handler
15    j IRQ_Handler
16    j IRQ_Handler
17    j IRQ_Handler
18    j IRQ_Handler // IRQ16
19    j IRQ_Handler // IRQ17
20    j IRQ_Handler // IRQ18
21    j IRQ_Handler // IRQ19
22    j IRQ_Handler // IRQ20
23    j IRQ_Handler // IRQ21
24    j IRQ_Handler // IRQ22
25    j IRQ_Handler // IRQ23
26    j IRQ_Handler // IRQ24
27    j IRQ_Handler // IRQ25
28    j IRQ_Handler // IRQ26
29    j IRQ_Handler // IRQ27
30    j IRQ_Handler // IRQ28
31    j IRQ_Handler // IRQ29
32    j IRQ_Handler // IzRQ30
33    j IRQ_Handler // IRQ30


			

			

				浏览IRQ_Handler可知，触发中断或异常均会执行该代码，该函数的主要的功能就是实现了软件保存上下文。根据RISC-V规范可知,RISC-V架构定义不支持硬件压栈，所以需要软件实现这部分，这样做的出发点大概是为了简化RISC-V架构的内核的设计吧！！！

			

				 

			

				libcpu/riscv/rv32m1中的IRQ_Handler函数存在如下内容

			
1 /* switch to interrupt stack */
2    la    sp, __stack            // 移植时需修改
3    /* interrupt handle */
4    call  rt_interrupt_enter
5    csrr  a0, mcause
6    csrr  a1, mepc
7    mv    a2, sp
8    call  SystemIrqHandler       // 移植时需修改
9    call  rt_interrupt_leave


			

				 

			

				这部分的作用是，加载中断栈的栈顶地址与执行保存上文之后的工作，这里是调用SystemIrqHandler函数进行中断分发，修改如下：

			
1 /* switch to interrupt stack */
2    la    sp, __freertos_irq_stack_top //栈顶地址 位于链接脚本中 
3    /* interrupt handle */
4    call  rt_interrupt_enter
5    csrr  a0, mcause
6    csrr  a1, mepc
7    mv    a2, sp
8    call  vSystemIrqHandler            // 调用vSystemIrqHandler函数
9    call  rt_interrupt_leave


			

				 

			

				在board.c的rt_hw_board_init函数中，添加如下代码：

			
1vPortSetupTimerInterrupt();//初始化定时器
2    volatile uint32_t mtvec = 0;
3    __asm volatile( "csrr %0, mtvec" : "=r"( mtvec ) );//声明仅有一张向量表
4    __asm volatile( "csrs mie, %0" :: "r"(0x880) );//使能定时器中断与外部中断


			

				 

			

				至此，基本的移植工作已经完成，可以采用静态创建任务的方式，实现多任务的创建与调度。

			

				 

			

				动态内存

			

				 

			

				在board.c添加下述代码：

			
 1#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP)
 2#define RT_HEAP_SIZE (64*1024)
 3static rt_uint8_t rt_heap[RT_HEAP_SIZE];
 4void *rt_heap_begin_get(void)
 5{
 6    return rt_heap;
 7}
 8void *rt_heap_end_get(void)
 9{
10    return rt_heap + RT_HEAP_SIZE;
11}
12#endif


			

				 

			

				在rt_hw_board_init添加下述代码：

			
1#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP)
2    rt_system_heap_init(rt_heap_begin_get(), rt_heap_end_get());
3#endif


			

				 

			

				完成上述工作便可使用RT-Thread的动态内存相关接口，同样可以种动态创建线程的函数。

			

				 

			

				shell

			

				 

			

				在链接脚本的.text段添加如下内容

			
 1    /* section information for finsh shell */
 2    . = ALIGN(4);
 3    __fsymtab_start = .;
 4    KEEP(*(FSymTab))
 5    __fsymtab_end = .;
 6    . = ALIGN(4);
 7    __vsymtab_start = .;
 8    KEEP(*(VSymTab))
 9    __vsymtab_end = .;
10    . = ALIGN(4);


			

				 

			

				实现以下函数：

			
1char rt_hw_console_getchar(void)
2{
3    return udma_uart_getchar(0);
4}


			

				 

			
1void rt_hw_console_output(const char *str)
2{
3    writeraw(0, strlen(str), (uint8_t*)str);
4}


			

				 

			

				注：writeraw函数来自udma_uart_writeraw，去掉了其中涉及FreeRTOS的API.

			

				 

			

				完成上述部分便可以使用RT-Thread的shell。

			

				 

			

				自动初始化

			

				 

			

				在链接脚本的.text段添加如下内容：

			
1 /* section information for initial. */
2    . = ALIGN(4);
3    __rt_init_start = .;
4    KEEP(*(SORT(.rti_fn*)))
5    __rt_init_end = .;
6    . = ALIGN(4);


			

				 

			

				添加上述代码后便可使用RT-Thread的自动初始化接口。

			

				 

			

				结果验证

			

				在生成的目标文件的目录下，输入运行命令，示例命令：

			

				 

			
1/home/wangshun/bin/qemu-riscv/bin/qemu-system-riscv32 -M core_v_mcu -bios none -kernel rtthread.elf -nographic -monitor none -serial stdio


			

				 

			

				 

			

				使用时，/home/wangshun/bin/qemu-riscv/bin/修改为用户的qemu的路径。

			

				 

			

				运行结果如下：

			
 1 | /
 2- RT -     Thread Operating System
 3 / |      5.0.0 build Dec 16 2022 11:25:07
 4 2006 - 2022 Copyright by RT-Thread team
 5Hello RT-Thread
 6msh >help
 7RT-Thread shell commands:
 8finshToCLI       - Switch to CLI: CLI component of Core-V-MCU
 9pin              - pin [option]
10clear            - clear the terminal screen
11version          - show RT-Thread version information
12list             - list objects
13help             - RT-Thread shell help.
14ps               - List threads in the system.
15free             - Show the memory usage in the system.
16msh >ps
17thread   pri  status      sp     stack size max used left tick  error
18-------- ---  ------- ---------- ----------  ------  ---------- ---
19tshell    20  running 0x00000160 0x00001000    22%   0x00000009 OK
20tidle0    31  ready   0x000000f0 0x00000100    98%   0x1c05e62d OK
21timer      4  suspend 0x000000e0 0x00000200    43%   0x00000008 OK
22msh >


			

				 

			

				至此，移植RT-Thread至OPENHW开源的基于CV32E40P内核的CORE-V-MCU便移植完成。

			

				 

			

				CORE-V-MCU bsp

			

				core-v-mcu的bsp已经合并至RT-Thread的主仓库，并配有详细的使用说明。

			

				 

			

				小结

			

				在为RISC-V移植RTOS时，笔者认为要具备RISC-V架构规范与编程规范的基本的了解，磨刀不误砍柴工嘛，虽然在写本文时洋洋洒洒写的很自在，但是在移植的过程中每遇到一个坑就会卡好久，不过也不要妄自菲薄，经过这么一个过程就好很多了,此时不禁让人感慨“两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山”。

			

				 

			

				 

		



	

		审核编辑 ：李倩




                                         
                    
                    
                


                
                
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