opensbi下的riscv64裸機(jī)系列編程1(串口輸出)

• 1.說(shuō)明

• 2.opensbi的編譯

• 3.基本環(huán)境的準(zhǔn)備

  • 3.1 準(zhǔn)備qemu

  • 3.2 準(zhǔn)備交叉編譯工具鏈

• 4.工程完善

• 5.封裝的sbi接口

• 6.程序運(yùn)行

• 7.printf函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

• 8.小結(jié)

1.說(shuō)明

前面的文章中已經(jīng)提到了opensbi的作用不僅僅是一個(gè)引導(dǎo)作用，還提供了M模式轉(zhuǎn)換到S模式的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在S-Mode下的內(nèi)核可以通過(guò)這一層訪問一些M-Mode的服務(wù)。

本文會(huì)從最小系統(tǒng)角度出發(fā)，利用opensbi的M-Mode的服務(wù)在控制臺(tái)上輸出Hello。

2.opensbi的編譯

opensbi提供了三種引導(dǎo)啟動(dòng)模式

• FW_PAYLOAD
• FW_JUMP
• FW_DYNAMIC

那么這三種模式有什么區(qū)別呢？

FW_PAYLOAD

這種模式會(huì)直接將Opensbi固件與uboot等綁定在一起。

可以說(shuō)這種模式是需要bootloader的。

FW_JUMP

這種模式會(huì)直接跳轉(zhuǎn)到bootloader去執(zhí)行。

這個(gè)對(duì)于qemu的啟動(dòng)模式來(lái)說(shuō)十分的有用。

FW_DYNAMIC

這種模式跳轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)傳遞動(dòng)態(tài)的參數(shù)

這里是通過(guò)寄存器a2傳遞了fw_dynamic_info結(jié)構(gòu)體信息。

為了簡(jiǎn)化模型，目前只通過(guò)FW_JUMP方式進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。

下載opensbi的代碼

gitclonehttps://github.com/riscv/opensbi.git

進(jìn)行編譯

exportCROSS_COMPILE=riscv64-unknown-elf-
makePLATFORM=genericclean
makePLATFORM=genericFW_JUMP_ADDR=0x80200000

注意FW_JUMP_ADDR=0x80200000是指定的跳轉(zhuǎn)地址。當(dāng)然可以指定固件跳轉(zhuǎn)到其他的地址。

生成fw_jump.elf位于platform/generic/firmware/fw_jump.elf。

3.基本環(huán)境的準(zhǔn)備

3.1 準(zhǔn)備qemu

可以到官網(wǎng)下載最新的qemu

https://www.qemu.org

解壓后進(jìn)行安裝與編譯。

tarxvfqemu-5.2.0.tar.xz
./configure--target-list=riscv64-softmmu
make
sudomakeinstall

3.2 準(zhǔn)備交叉編譯工具鏈

可以到官網(wǎng)上下載對(duì)應(yīng)的交叉編譯工具鏈

https://www.sifive.com/software

準(zhǔn)備交叉編譯工具鏈

exportPATH=$PATH:/opt/riscv64-unknown-elf-gcc-8.3.0-2020.04.0-x86_64-linux-ubuntu14/bin/

4.工程完善

相關(guān)的實(shí)驗(yàn)代碼已經(jīng)放到倉(cāng)庫(kù)

https://github.com/bigmagic123/riscv64_opensbi_baremetal/tree/master/01_startup

工程的目錄結(jié)構(gòu)如下：

.
├──build.sh##編譯腳本
├──entry.s##入口函數(shù)
├──fw_bin##可執(zhí)行的固件腳本
│├──fw_jump.elf##opensbi
│├──hello.elf##編譯完成的固件
│└──run.sh##直接運(yùn)行的腳本
├──link.ld##鏈接文件
├──main.c##主函數(shù)
├──readme.md
└──sbi.h##sbi調(diào)用api

首先是編譯腳本

build.sh

目前為了簡(jiǎn)化工程，暫時(shí)沒有使用makefile文件。

riscv64-unknown-elf-gcc-nostdlib-centry.s-oentry.o
riscv64-unknown-elf-gcc-nostdlib-cmain.c-omain.o
riscv64-unknown-elf-ld-ofw_bin/hello.elf-Tlink.ldentry.omain.o

編譯了entry.s和main.c文件，并通過(guò)link.ld文件進(jìn)行鏈接。

link.ld

鏈接腳本規(guī)定了程序的布局

OUTPUT_ARCH("riscv")
OUTPUT_FORMAT("elf64-littleriscv")
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
/*text:testcodesection*/
.=0x80200000;
start=.;

.text:{
stext=.;
*(.text.entry)
*(.text.text.*)
.=ALIGN(4K);
etext=.;
}

.data:{
sdata=.;
*(.data.data.*)
edata=.;
}

.bss:{
sbss=.;
*(.bss.bss.*)
ebss=.;
}
PROVIDE(end=.);
}

整體的鏈接腳本寫在SECTION{ }包含的結(jié)構(gòu)中。

其中*代表通配符，而.則表示當(dāng)前的地址。當(dāng)鏈接腳本需要使用的時(shí)候，可將其通過(guò)-T進(jìn)行參數(shù)的傳遞。

entry.s

該文件描述了執(zhí)行的入口函數(shù)。

.section.text.entry
.globl_start
_start:
/*setupstack*/
lasp,stack_top#setupstackpointer
callmain
halt:jhalt#entertheinfiniteloop

loop:
jloop

.section.bss.stack
.align12
.globalstack_top
stack_top:
.space4096*4
.globalstack_top

最關(guān)鍵的是兩點(diǎn)：

• 設(shè)置函數(shù)堆地址
• 跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)

stack_top:
.space4096*4
.globalstack_top

將棧頂設(shè)置，通過(guò)call跳轉(zhuǎn)到c語(yǔ)言的main函數(shù)。

main.c

#include"sbi.h"
voidmain()
{
SBI_PUTCHAR('H');
SBI_PUTCHAR('e');
SBI_PUTCHAR('l');
SBI_PUTCHAR('l');
SBI_PUTCHAR('o');
SBI_PUTCHAR('
');
while(1){}
}

這個(gè)程序會(huì)調(diào)用opensbi的函數(shù)，此時(shí)可以在S-Mode訪問M-Mode的串口輸出服務(wù)。

5.封裝的sbi接口

可以通過(guò)下面的官方文檔來(lái)了解其使用。

https://github.com/riscv/riscv-sbi-doc/blob/master/riscv-sbi.adoc

在進(jìn)行M-Mode服務(wù)訪問的時(shí)候，采用了ECALL進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用。

在系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程中，ecall會(huì)使用a0與a7寄存器。其中a7寄存器保留的是系統(tǒng)的調(diào)用號(hào)，而a0寄存器則保存系統(tǒng)的調(diào)用參數(shù)。返回值則會(huì)保存在a0寄存器中。

需要注意的是在RISCV的設(shè)計(jì)上，S模式不直接控制時(shí)鐘中斷和軟件中斷，而是使用ecall指令請(qǐng)求M模式設(shè)置定時(shí)器或在代理處理器中斷。

所以opensbi在提供M-Mode服務(wù)的時(shí)候，到目前為止，opensbi提供的sbi服務(wù)接口有如下的表示：

這里只使用了sbi_console_putchar接口。

接著看看具體的ecall的實(shí)現(xiàn)：

#defineSBI_ECALL(__num,__a0,__a1,__a2)
({
registerunsignedlonga0asm("a0")=(unsignedlong)(__a0);
registerunsignedlonga1asm("a1")=(unsignedlong)(__a1);
registerunsignedlonga2asm("a2")=(unsignedlong)(__a2);
registerunsignedlonga7asm("a7")=(unsignedlong)(__num);
asmvolatile("ecall"
:"+r"(a0)
:"r"(a1),"r"(a2),"r"(a7)
:"memory");
a0;
})

根據(jù)上述的解釋，ecall采用的是內(nèi)嵌匯編函數(shù)。

ecall
iia0,101
lia1,0
lia2,0
lia7,1

這個(gè)內(nèi)嵌匯編的展開形式如上面所示，a0、a1、a2表示傳遞的參數(shù)，a7表示系統(tǒng)調(diào)用號(hào)。

而根據(jù)內(nèi)嵌匯編的語(yǔ)法，有著如下的格式

asm(assemblertemplate
:/*outputoperands*/
:/*inputoperands*/
:/*clobberedregisterslist*/
);

對(duì)于C語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，其函數(shù)的調(diào)用規(guī)則是處理器規(guī)定的，而編譯器可以按照這種規(guī)則進(jìn)行翻譯代碼。riscv的函數(shù)調(diào)用規(guī)則可以按照下面的文檔進(jìn)行操作。

https://riscv.org/wp-content/uploads/2015/01/riscv-calling.pdf

而對(duì)于main函數(shù)中的SBI_PUTCHAR其展開為

#defineSBI_CONSOLE_PUTCHAR1
#defineSBI_PUTCHAR(__a0)SBI_ECALL_1(SBI_CONSOLE_PUTCHAR,__a0)
#defineSBI_ECALL_1(__num,__a0)SBI_ECALL(__num,__a0,0,0)

可以看到通過(guò)ecall只傳遞一個(gè)參數(shù)。

6.程序運(yùn)行

在fw_bin文件夾下輸入./run.sh就可以運(yùn)行看到效果了。

而這條操作的代碼如下：

qemu-system-riscv64-Msifive_u-biosfw_jump.elf-kernelhello.elf-nographic

對(duì)應(yīng)的machine是sifive_u。bios是fw_jump.elf。

7.printf函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于printf函數(shù)的使用很容易，但是深入了解其實(shí)現(xiàn)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)并不簡(jiǎn)單，因?yàn)榭勺儏?shù)的特性使得其變得復(fù)雜起來(lái)。

實(shí)驗(yàn)代碼如下：

https://github.com/bigmagic123/riscv64_opensbi_baremetal/tree/master/02_printf

看一個(gè)glibc中的prinf的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

#include
#include
#include

/*WriteformattedoutputtostdoutfromtheformatstringFORMAT.*/
/*VARARGS1*/
intprintf(constchar*format,...)
{
va_listarg;
intdone;

va_start(arg,format);
done=vprintf(format,arg);
va_end(arg);

returndone;
}

對(duì)于上述的定義

intprintf(constchar*format,...)

format表示固定的參數(shù)，...表示可變的參數(shù)。

主要的實(shí)現(xiàn)過(guò)程利用三個(gè)函數(shù)進(jìn)行

va_start(p,format)//將指針p移到第一個(gè)變量參數(shù)
var=va_arg(p,變量類型)//已知變量的情況下，移到下個(gè)參數(shù)變量
va_end(p)//結(jié)束參數(shù)使用等價(jià)于p=NULL

這里為了實(shí)現(xiàn)方便，我直接使用開源的tinyprintf。

https://github.com/cjlano/tinyprintf

移植的過(guò)程也很容易，在main.c文件中作如下的實(shí)現(xiàn)：

#include"sbi.h"
#include"tinyprintf.h"
#defineUNUSED(x)(void)(x)
staticvoidstdout_putc(void*unused,char*ch)
{
SBI_PUTCHAR(ch);
}
voidmain()
{
init_printf(0,stdout_putc);

tfp_printf("helloworld
");
while(1){}
}

只需要移植init_printf接口就可以使用tfp_printf進(jìn)行串口輸出了。

結(jié)果如下：

8.小結(jié)

第一階段實(shí)現(xiàn)了opensbi的啟動(dòng)流程，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用訪問串口輸出。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了S-Mode下訪問M-Mode的初步計(jì)劃，并且通過(guò)串口進(jìn)行基本的輸出過(guò)程。隨著工程的不斷增加，后續(xù)會(huì)增加makefile工程組織，riscv下的中斷處理、以及定時(shí)器中斷的實(shí)現(xiàn)，下篇文章主要介紹這些。