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OPENHW开源CORE-V-MCU移植RT-Thread

5.00

发布于 2023-01-16 18:18:17 浏览：1453 订阅该版

[tocm]

#### 项目背景

[OpenHW Group](https://www.openhwgroup.org/) 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](http://riscv.org/)指令集架构 (ISA) 系列内核，称为 CORE-V系列。[CV32E40P](https://www.openhwgroup.org/resources/blog/open-source-hardware-the-new-reality-cv32e40p-project/) 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](https://www.rt-thread.org/)。

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。

#### 相关链接

[CORE-V-MCU IDE](https://github.com/openhwgroup/core-v-sdk):OPENHW组织针对CORE-V-MCU系列，基于eclipse开发的集成环境，IDE内置示例工程。

[PLCT QEMU](https://github.com/plctlab/plct-qemu/tree/plct-corev-upstream-sync-dma):中科院PLCT实验室针对CV32E40P内核的CORE-V-MCU适配的QEMU。

[Linux环境下的QEMU]([Release qemu-linux · Yaochenger/openhw- · GitHub](https://github.com/Yaochenger/openhw-/releases/tag/qemu-linux)):Linux环境下编译完成的QEMU。

[工具链](https://github.com/Yaochenger/openhw-/tree/master/toolchain)：工具链。

[RT-Thread源码](https://github.com/RT-Thread/rt-thread/archive/refs/heads/master.zip):RT-Thread源码。

[RT-Thread-nano源码](https://www.rt-thread.org/download.html):RT-Thread nano源码。

#### 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](https://github.com/Yaochenger/openhw-/tree/master/%E5%8F%AF%E6%89%A7%E8%A1%8C%E6%96%87%E4%BB%B6/PLCT)。

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：

![screenshot_1.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230116/a1e7b036a56118ae5911cfd1a8137e45.png.webp)

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](https://github.com/Yaochenger/rt-thread/tree/master/libcpu/risc-v)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：

````C
void (*isr_table[32])(uint32_t);            
````

该数组用于绑定中断入口函数。

```C
for (int i = 0 ; i < 32 ; i ++){
	isr_table[i] = undefined_handler;
	handler_count[i] = 0;
}
	isr_table[0x7] = timer_irq_handler;
	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：

```c
void timer_irq_handler(uint32_t mcause)
{
#warning requires critical section if interrupt nesting is used.
	if (xTaskIncrementTick() != 0) {
		vTaskSwitchContext();
	}
}
```

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：

```c
void timer_irq_handler(uint32_t mcause)
{
#warning requires critical section if interrupt nesting is used.
	rt_interrupt_enter();
	rt_tick_increase();
	rt_interrupt_leaves();
}
```

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：

```assembly
/* set vector table address */
	la a0, __vector_start
	or a0, a0, 1 /* enable vectored mode (hardcoded anyway for CV32E40P) */
	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 ：

```assembly
vector_table:
	j freertos_risc_v_trap_handler  // irq0
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler  // irq3
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler //ctxt_handler  // irq 7 mtime or timer
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j h7// freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler // irq 11 Machine (event Fifo)
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ16
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ17
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ18
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ19
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ20
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ21
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ22
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ23
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ24
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ25
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ26
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ27
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ28
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ29
	j freertos_risc_v_trap_handler // IRQ30
    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：

```c
void vSystemIrqHandler(uint32_t mcause)
{
	uint32_t val = 0;
//	extern void (*isr_table[32])(uint32_t);
	isr_table[mcause & 0x1f](mcause & 0x1f);
}
```

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：

```c
CPPFLAGS += -DportasmHANDLE_INTERRUPT=vSystemIrqHandler
```

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

```assembly
load_x sp, xISRStackTop				/* Switch to ISR stack before function call. */
jal portasmHANDLE_INTERRUPT		
j 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：

```C
vector_table:
	j IRQ_Handler  // irq0
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler  // irq3
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler //ctxt_handler  // irq 7 mtime or timer
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler // IRQ_Handler
	j IRQ_Handler // irq 11 Machine (event Fifo)
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler
	j IRQ_Handler // IRQ16
	j IRQ_Handler // IRQ17
	j IRQ_Handler // IRQ18
	j IRQ_Handler // IRQ19
	j IRQ_Handler // IRQ20
	j IRQ_Handler // IRQ21
	j IRQ_Handler // IRQ22
	j IRQ_Handler // IRQ23
	j IRQ_Handler // IRQ24
	j IRQ_Handler // IRQ25
	j IRQ_Handler // IRQ26
	j IRQ_Handler // IRQ27
	j IRQ_Handler // IRQ28
	j IRQ_Handler // IRQ29
	j IRQ_Handler // IzRQ30
    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

```c
    /* switch to interrupt stack */
    la    sp, __stack            // 移植时需修改

/* interrupt handle */
    call  rt_interrupt_enter
    csrr  a0, mcause
    csrr  a1, mepc
    mv    a2, sp
    call  SystemIrqHandler       // 移植时需修改
    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：

```c
    /* switch to interrupt stack */
    la    sp, __freertos_irq_stack_top //栈顶地址 位于链接脚本中

/* interrupt handle */
    call  rt_interrupt_enter
    csrr  a0, mcause
    csrr  a1, mepc
    mv    a2, sp
    call  vSystemIrqHandler            // 调用vSystemIrqHandler函数
    call  rt_interrupt_leave
```

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

```
	vPortSetupTimerInterrupt();//初始化定时器

volatile uint32_t mtvec = 0;
	__asm volatile( "csrr %0, mtvec" : "=r"( mtvec ) );//声明仅有一张向量表
	__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：

```c
#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP)
#define RT_HEAP_SIZE (64*1024)
static rt_uint8_t rt_heap[RT_HEAP_SIZE];
void *rt_heap_begin_get(void)
{
	return rt_heap;
}
void *rt_heap_end_get(void)
{
	return rt_heap + RT_HEAP_SIZE;
}
#endif
```

在**rt_hw_board_init**添加下述代码：

```c
#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP)
	rt_system_heap_init(rt_heap_begin_get(), rt_heap_end_get());
#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

```makefile
    /* section information for finsh shell */
    . = ALIGN(4);
    __fsymtab_start = .;
    KEEP(*(FSymTab))
    __fsymtab_end = .;
    . = ALIGN(4);
    __vsymtab_start = .;
    KEEP(*(VSymTab))
    __vsymtab_end = .;
    . = ALIGN(4);
```

实现以下函数：

```c
char rt_hw_console_getchar(void)
{
	return udma_uart_getchar(0);
}
```

```c
void rt_hw_console_output(const char *str)
{
	writeraw(0, strlen(str), (uint8_t*)str);
}
```

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：

```
    /* section information for initial. */
    . = ALIGN(4);
    __rt_init_start = .;
    KEEP(*(SORT(.rti_fn*)))
    __rt_init_end = .;
    . = 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：

```shell
/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**：

```shell
 \ | /
- RT -     Thread Operating System
 / | \     5.0.0 build Dec 16 2022 11:25:07
 2006 - 2022 Copyright by RT-Thread team
Hello RT-Thread
msh >help
RT-Thread shell commands:
finshToCLI       - Switch to CLI: CLI component of Core-V-MCU
pin              - pin [option]
clear            - clear the terminal screen
version          - show RT-Thread version information
list             - list objects
help             - RT-Thread shell help.
ps               - List threads in the system.
free             - Show the memory usage in the system.

msh >ps
thread   pri  status      sp     stack size max used left tick  error
-------- ---  ------- ---------- ----------  ------  ---------- ---
tshell    20  running 0x00000160 0x00001000    22%   0x00000009 OK
tidle0    31  ready   0x000000f0 0x00000100    98%   0x1c05e62d OK
timer      4  suspend 0x000000e0 0x00000200    43%   0x00000008 OK
msh >

```

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，[链接](https://github.com/Yaochenger/rt-thread/tree/master/bsp/core-v-mcu/core-v-cv32e40p)。

#### 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”。