RISC-V MCU開發(fā)實戰(zhàn) (三)：移植鴻蒙OS項目
移植準(zhǔn)備：
步驟一：在MRS中新建一個CH32V307的工程，將源碼直接拖到工程中，就添加進(jìn)來了，然后去添加頭文件路徑即可
源碼中包含比較全面，我們可以選擇不需要的部分將其排除在編譯之外，
操作方法為右鍵目錄或文件，點擊Include/Exclude From Build菜單項恢復(fù)編譯，同樣的方法再選一遍即可。
下面說些移植操作系統(tǒng)的注意事項： ARM上移植實時操作系統(tǒng)大家可能比較熟悉，對于RISC-V內(nèi)核的MCU，可能相對比較陌生。下面結(jié)合WCH的CH32V103和CH32V307兩款芯片來詳細(xì)說下針對RISC-V平臺，移植實時操作系統(tǒng)的注意點。 在移植前，有必要對RISC-V的一些基本知識點有一定的了解，這里對RISC-V的概況，發(fā)展，指令集，特權(quán)模式等不作詳述，僅結(jié)合WCH的RISC-V內(nèi)核的MCU，簡單介紹我們移植實時操作系統(tǒng)有可能遇到的關(guān)鍵點做一下描述。 這里之所以選取V103和V307兩款芯片，主要其極具代表性： 首先，直觀上其外設(shè)的使用方法和我們之前熟悉的F103，F(xiàn)107等是兼容的，這樣降低了我們使用和移植時的難度，基于WCH提供的外設(shè)庫，我們以前上層的代碼甚至于不用修改可直接使用。 其次，V103是WCH RISC-V內(nèi)核家族中的V3內(nèi)核，V307為V4內(nèi)核，V3內(nèi)核支持RV32IMAC指令集，即除支持RISC-V基本的32位整數(shù)指令集外，還支持硬件乘除法，原子指令，壓縮指令。V4在V3的基礎(chǔ)上增加了單精度硬件浮點，并且其性能也比V3高。 除上述之外，雖然兩者的中斷控制器（PFIC）相較于現(xiàn)行的PLIC均不同，均不是統(tǒng)一入口，而是采用中斷向量表尋址的方式，但是V3的中斷向量表處存放是一條指令，而V4的向量表既可以存放指令，也可以存放中斷處理函數(shù)的地址。兩者均支持中斷嵌套和硬件壓棧，區(qū)別在于V3最大嵌套兩級，V4最大可達(dá)八級，同時V3的硬件壓棧深度兩級，V4的硬件壓棧深度為三級。這里需要注意的是，移植實時操作系統(tǒng)時需要關(guān)閉硬件壓棧，在切換任務(wù)時所有寄存器，我們希望是由我們自己控制其壓棧和出棧的內(nèi)容。 RISC-V寄存器如下圖所示，其中x0-x31為整形寄存器，f0-f31為浮點寄存器（V3沒有浮點寄存器）。所有帶caller的寄存器，當(dāng)發(fā)生中斷時需要保存，值得注意的是，WCH的硬件壓棧保存的寄存器僅僅保存整數(shù)的16個caller saved 寄存器。正常一個中斷函數(shù)的寄存器保存我們不用關(guān)心，編譯器會幫我們做的很好。但是當(dāng)我們從一個匯編入口進(jìn)中斷函數(shù)的時候這些過程就不得不由我們自己來實現(xiàn)。寄存器中幾個相對特殊的x0恒為0，x1是返回地址寄存器ra，函數(shù)調(diào)用時用來存放返回地址，x2為堆棧指針sp，x3為gp全局指針，用來尋址全局變量。對于一個正常運行的程序，除了x0，gp兩個初始值固定的外，其余的均會是不確定的，所有在進(jìn)行上下文保護時，均需要保存。用到硬件浮點的時候，更是要保存32個浮點寄存器。
除了上述的寄存器，移植還要關(guān)心的是幾個csr寄存器mstatus，mepc。正常情況下大部分csr只能在機器模式下操作（WCH的v3和v4內(nèi)核支持機器模式和用戶模式）。mstatus中，MIE為中斷使能，當(dāng)進(jìn)中斷時MPIE更新為MIE,返回時MIE更新為MPIE。MPP用于保存進(jìn)中斷之前的特權(quán)模式，如果我們設(shè)置其為MPP=0b11，那么將一直處于機器模式，其mret返回后還是處于機器模式。mepc是機器模式下異常程序指針，其只會在發(fā)生異常是被更新（中斷也是一類異常），進(jìn)異常時我們可以從另外兩個csr寄存器mcause來看引起異常原因通過mtval查看引起異常時的值。當(dāng)從異常返回時mepc的值被更新給pc。我們正是通過進(jìn)中斷修改mepc來實現(xiàn)任務(wù)的切換的，后面會詳細(xì)說明這個過程。
實時操作系統(tǒng)大家應(yīng)該不陌生，常見的uCOS，FreeRTOS，RT-Thread，LiteOS-M等等，其基本的思路都是一樣的，需要一個定時器用于系統(tǒng)時間片的實現(xiàn)，一個中斷用于任務(wù)切換。想要其能夠在一個MCU上成功的跑起來，需要弄清除一下幾個事情：
（1）進(jìn)中斷需要保存哪些內(nèi)容。
從之前的描述中，應(yīng)該知道，對于risc-v內(nèi)核來說其進(jìn)中斷壓棧的是caller saved的寄存器。從下圖一可以看出，進(jìn)Systick中斷函數(shù)，先進(jìn)行寄存器保存，退出中斷時進(jìn)行寄存器恢復(fù)，如果開啟硬件浮點，同時還會對浮點寄存器進(jìn)行保存和恢復(fù)。這個過程是編譯器幫我們實現(xiàn)，有一點需要注意的是我們移植的代碼里面進(jìn)中斷后獲取了中斷的堆?！癱srrw sp,mscratch,sp”，返回時恢復(fù)了線程的堆棧指針“csrrw sp,mscratch,sp”中斷堆棧指針初始值是在任務(wù)開始時存入mscratch寄存器的，如果采用C形式中斷函數(shù)，中斷堆棧的獲取會在壓棧操作之后，中斷壓入的堆棧是當(dāng)前運行任務(wù)的任務(wù)堆棧區(qū)域，如果想要中斷函數(shù)壓棧時壓入的自己的堆棧區(qū)域，可以使用匯編入口，進(jìn)中斷后先修改sp，然后壓棧，再調(diào)用中斷處理函數(shù)，如圖二所示。
圖1
圖2
（2）任務(wù)棧需要保存哪些內(nèi)容。
前文說過對于一個正常運行的程序，切換任務(wù)前，除了x0恒0，x3 gp指針外，其余的寄存器均需要保存，每個RTOS中都會定義一個上下文保存相關(guān)的結(jié)構(gòu)體，這里我們以華為鴻蒙LiteOS_M為例，看一下這個結(jié)構(gòu)體：
圖3在創(chuàng)建任務(wù)的時候均會為一個任務(wù)分配一個id和堆棧大小并對這個堆棧做初始化：
圖4
圖5任務(wù)創(chuàng)建好了后會關(guān)聯(lián)一個根據(jù)任務(wù)id關(guān)聯(lián)一個任務(wù)控制塊taskCB，總的任務(wù)個數(shù)是在頭文件中配置的（target_config.h）總的任務(wù)塊的初始化也是在LOS_KernelInit被初始化。
圖6從上面可以看出來，task--->taskCB--->sp指針--->memory這樣的路線，而這片memory開始位置用于上下文保存。
這樣的方式在其他RTOS中也可以看到，例如RT-Thread中用于上下文保存的結(jié)構(gòu)體rt_hw_stack_frame，和taskCB類似的結(jié)構(gòu)體rt_thread等。
圖7
圖8
（3）如何開啟任務(wù)調(diào)度。
前面看了每個任務(wù)上下文保存位置，注意到堆棧初始化的時候把任務(wù)的入口地址給了context->epc。同時LiteOS_M源碼中定義了一個LosTask類型的全局變量g_losTask，其內(nèi)部只有兩個任務(wù)控制塊指針，一個指向當(dāng)前運行的任務(wù)，一個指向新任務(wù)，即要切換至的任務(wù)。
圖9當(dāng)做好一系列初始化后，LiteOS會調(diào)用HalStartSchedule來初始化系統(tǒng)節(jié)拍定時器，并注冊系統(tǒng)定時器的中斷處理函數(shù)，然后開始轉(zhuǎn)向執(zhí)行第一個任務(wù)，如下圖所示：
圖10其中OsSchedStart函數(shù)從任務(wù)列表中獲取第一個任務(wù)，并賦值給g_losTask里面的runTask和newTask。然后調(diào)用HalStartToRun轉(zhuǎn)向執(zhí)行runTask所指示的任務(wù)。HalStartToRun是一段匯編代碼，下面就具體看其如何切換至runTask，具體如下圖的注釋：
圖11這樣mret之后就轉(zhuǎn)向去執(zhí)行第一個任務(wù)，并且不會再有返回，因為每個任務(wù)本身會是個循環(huán)，這里也就能理解其源碼注釋 never return的含義。
圖12其他操作系統(tǒng)中也有類似的操作，例如RT-Thread中有個rt_hw_context_switch_to函數(shù)，其也是匯編代碼實現(xiàn)，它是一個帶參數(shù)的函數(shù)，其傳入的參數(shù)為(&to_thread->sp)，如下圖：
圖13從名字就可以看出，傳遞的參數(shù)為啟動執(zhí)行的第一個線程的控制塊的堆棧指針sp的值，后面賦值mepc，mstatus，其他寄存器等等都是和LiteOS_M一致的。
圖14
圖15
-
軟件平臺:MounRiver Studio( MRS);
-
硬件平臺: CH32V307開發(fā)板；
-
源碼獲取：https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m
步驟一：在MRS中新建一個CH32V307的工程，將源碼直接拖到工程中，就添加進(jìn)來了，然后去添加頭文件路徑即可
源碼中包含比較全面，我們可以選擇不需要的部分將其排除在編譯之外，操作方法為右鍵目錄或文件，點擊Include/Exclude From Build菜單項恢復(fù)編譯，同樣的方法再選一遍即可。
下面說些移植操作系統(tǒng)的注意事項： ARM上移植實時操作系統(tǒng)大家可能比較熟悉，對于RISC-V內(nèi)核的MCU，可能相對比較陌生。下面結(jié)合WCH的CH32V103和CH32V307兩款芯片來詳細(xì)說下針對RISC-V平臺，移植實時操作系統(tǒng)的注意點。 在移植前，有必要對RISC-V的一些基本知識點有一定的了解，這里對RISC-V的概況，發(fā)展，指令集，特權(quán)模式等不作詳述，僅結(jié)合WCH的RISC-V內(nèi)核的MCU，簡單介紹我們移植實時操作系統(tǒng)有可能遇到的關(guān)鍵點做一下描述。 這里之所以選取V103和V307兩款芯片，主要其極具代表性： 首先，直觀上其外設(shè)的使用方法和我們之前熟悉的F103，F(xiàn)107等是兼容的，這樣降低了我們使用和移植時的難度，基于WCH提供的外設(shè)庫，我們以前上層的代碼甚至于不用修改可直接使用。 其次，V103是WCH RISC-V內(nèi)核家族中的V3內(nèi)核，V307為V4內(nèi)核，V3內(nèi)核支持RV32IMAC指令集，即除支持RISC-V基本的32位整數(shù)指令集外，還支持硬件乘除法，原子指令，壓縮指令。V4在V3的基礎(chǔ)上增加了單精度硬件浮點，并且其性能也比V3高。 除上述之外，雖然兩者的中斷控制器（PFIC）相較于現(xiàn)行的PLIC均不同，均不是統(tǒng)一入口，而是采用中斷向量表尋址的方式，但是V3的中斷向量表處存放是一條指令，而V4的向量表既可以存放指令，也可以存放中斷處理函數(shù)的地址。兩者均支持中斷嵌套和硬件壓棧，區(qū)別在于V3最大嵌套兩級，V4最大可達(dá)八級，同時V3的硬件壓棧深度兩級，V4的硬件壓棧深度為三級。這里需要注意的是，移植實時操作系統(tǒng)時需要關(guān)閉硬件壓棧，在切換任務(wù)時所有寄存器，我們希望是由我們自己控制其壓棧和出棧的內(nèi)容。 RISC-V寄存器如下圖所示，其中x0-x31為整形寄存器，f0-f31為浮點寄存器（V3沒有浮點寄存器）。所有帶caller的寄存器，當(dāng)發(fā)生中斷時需要保存，值得注意的是，WCH的硬件壓棧保存的寄存器僅僅保存整數(shù)的16個caller saved 寄存器。正常一個中斷函數(shù)的寄存器保存我們不用關(guān)心，編譯器會幫我們做的很好。但是當(dāng)我們從一個匯編入口進(jìn)中斷函數(shù)的時候這些過程就不得不由我們自己來實現(xiàn)。寄存器中幾個相對特殊的x0恒為0，x1是返回地址寄存器ra，函數(shù)調(diào)用時用來存放返回地址，x2為堆棧指針sp，x3為gp全局指針，用來尋址全局變量。對于一個正常運行的程序，除了x0，gp兩個初始值固定的外，其余的均會是不確定的，所有在進(jìn)行上下文保護時，均需要保存。用到硬件浮點的時候，更是要保存32個浮點寄存器。
除了上述的寄存器，移植還要關(guān)心的是幾個csr寄存器mstatus，mepc。正常情況下大部分csr只能在機器模式下操作（WCH的v3和v4內(nèi)核支持機器模式和用戶模式）。mstatus中，MIE為中斷使能，當(dāng)進(jìn)中斷時MPIE更新為MIE,返回時MIE更新為MPIE。MPP用于保存進(jìn)中斷之前的特權(quán)模式，如果我們設(shè)置其為MPP=0b11，那么將一直處于機器模式，其mret返回后還是處于機器模式。mepc是機器模式下異常程序指針，其只會在發(fā)生異常是被更新（中斷也是一類異常），進(jìn)異常時我們可以從另外兩個csr寄存器mcause來看引起異常原因通過mtval查看引起異常時的值。當(dāng)從異常返回時mepc的值被更新給pc。我們正是通過進(jìn)中斷修改mepc來實現(xiàn)任務(wù)的切換的，后面會詳細(xì)說明這個過程。
實時操作系統(tǒng)大家應(yīng)該不陌生，常見的uCOS，FreeRTOS，RT-Thread，LiteOS-M等等，其基本的思路都是一樣的，需要一個定時器用于系統(tǒng)時間片的實現(xiàn)，一個中斷用于任務(wù)切換。想要其能夠在一個MCU上成功的跑起來，需要弄清除一下幾個事情：（1）進(jìn)中斷需要保存哪些內(nèi)容。
從之前的描述中，應(yīng)該知道，對于risc-v內(nèi)核來說其進(jìn)中斷壓棧的是caller saved的寄存器。從下圖一可以看出，進(jìn)Systick中斷函數(shù)，先進(jìn)行寄存器保存，退出中斷時進(jìn)行寄存器恢復(fù)，如果開啟硬件浮點，同時還會對浮點寄存器進(jìn)行保存和恢復(fù)。這個過程是編譯器幫我們實現(xiàn)，有一點需要注意的是我們移植的代碼里面進(jìn)中斷后獲取了中斷的堆?！癱srrw sp,mscratch,sp”，返回時恢復(fù)了線程的堆棧指針“csrrw sp,mscratch,sp”中斷堆棧指針初始值是在任務(wù)開始時存入mscratch寄存器的，如果采用C形式中斷函數(shù)，中斷堆棧的獲取會在壓棧操作之后，中斷壓入的堆棧是當(dāng)前運行任務(wù)的任務(wù)堆棧區(qū)域，如果想要中斷函數(shù)壓棧時壓入的自己的堆棧區(qū)域，可以使用匯編入口，進(jìn)中斷后先修改sp，然后壓棧，再調(diào)用中斷處理函數(shù)，如圖二所示。
圖1
圖2
（2）任務(wù)棧需要保存哪些內(nèi)容。前文說過對于一個正常運行的程序，切換任務(wù)前，除了x0恒0，x3 gp指針外，其余的寄存器均需要保存，每個RTOS中都會定義一個上下文保存相關(guān)的結(jié)構(gòu)體，這里我們以華為鴻蒙LiteOS_M為例，看一下這個結(jié)構(gòu)體：
圖3在創(chuàng)建任務(wù)的時候均會為一個任務(wù)分配一個id和堆棧大小并對這個堆棧做初始化：
圖4
圖5任務(wù)創(chuàng)建好了后會關(guān)聯(lián)一個根據(jù)任務(wù)id關(guān)聯(lián)一個任務(wù)控制塊taskCB，總的任務(wù)個數(shù)是在頭文件中配置的（target_config.h）總的任務(wù)塊的初始化也是在LOS_KernelInit被初始化。
圖6從上面可以看出來，task--->taskCB--->sp指針--->memory這樣的路線，而這片memory開始位置用于上下文保存。這樣的方式在其他RTOS中也可以看到，例如RT-Thread中用于上下文保存的結(jié)構(gòu)體rt_hw_stack_frame，和taskCB類似的結(jié)構(gòu)體rt_thread等。
圖7圖8（3）如何開啟任務(wù)調(diào)度。
前面看了每個任務(wù)上下文保存位置，注意到堆棧初始化的時候把任務(wù)的入口地址給了context->epc。同時LiteOS_M源碼中定義了一個LosTask類型的全局變量g_losTask，其內(nèi)部只有兩個任務(wù)控制塊指針，一個指向當(dāng)前運行的任務(wù)，一個指向新任務(wù)，即要切換至的任務(wù)。
圖9當(dāng)做好一系列初始化后，LiteOS會調(diào)用HalStartSchedule來初始化系統(tǒng)節(jié)拍定時器，并注冊系統(tǒng)定時器的中斷處理函數(shù)，然后開始轉(zhuǎn)向執(zhí)行第一個任務(wù)，如下圖所示：圖10其中OsSchedStart函數(shù)從任務(wù)列表中獲取第一個任務(wù)，并賦值給g_losTask里面的runTask和newTask。然后調(diào)用HalStartToRun轉(zhuǎn)向執(zhí)行runTask所指示的任務(wù)。HalStartToRun是一段匯編代碼，下面就具體看其如何切換至runTask，具體如下圖的注釋：圖11這樣mret之后就轉(zhuǎn)向去執(zhí)行第一個任務(wù)，并且不會再有返回，因為每個任務(wù)本身會是個循環(huán)，這里也就能理解其源碼注釋 never return的含義。圖12其他操作系統(tǒng)中也有類似的操作，例如RT-Thread中有個rt_hw_context_switch_to函數(shù)，其也是匯編代碼實現(xiàn)，它是一個帶參數(shù)的函數(shù)，其傳入的參數(shù)為(&to_thread->sp)，如下圖：圖13從名字就可以看出，傳遞的參數(shù)為啟動執(zhí)行的第一個線程的控制塊的堆棧指針sp的值，后面賦值mepc，mstatus，其他寄存器等等都是和LiteOS_M一致的。
（4）如何進(jìn)行任務(wù)切換。
了解了如何切換至第一個任務(wù)，那么如何實現(xiàn)不同任務(wù)之間的切換呢，在這之前我們應(yīng)該都有了解，RTOS是根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級和時間片進(jìn)行輪轉(zhuǎn)的，每個任務(wù)執(zhí)行一段時間，然后切換至下一個任務(wù)執(zhí)行。每次切換前我們需要把當(dāng)前任務(wù)的運行狀態(tài)進(jìn)行保存，然后切換至新任務(wù)，對其運行狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，如此循環(huán)反復(fù)，實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。時間片實現(xiàn)使用的是內(nèi)核的SysTick定時器，LiteOS_M是在los_timer.c中實現(xiàn)的，這個只需要根據(jù)實際硬件的進(jìn)行初始化就行。其他操作系統(tǒng)也是類似，像RT-Thread源碼中我們根據(jù)硬件完成board.c。對于任務(wù)切換，我們利用內(nèi)核的軟中斷，只要使能該中斷，并且當(dāng)需要切換任務(wù)時，把中斷控制器的對應(yīng)的pendset位置1，即可觸發(fā)該中斷進(jìn)行任務(wù)切換。下圖是liteOS_M切換過程：
圖14
圖15其他操作系統(tǒng)也是大同小異，具體的區(qū)別僅僅是在切換新任務(wù)時，新任務(wù)如何獲取的問題，上圖可以看到LiteOS_M是通過g_losTask來管理，RT-Thread中定義了from_thread，to_thread，顧名思義從一個線程切換至另外一個線程。
弄清楚以上的問題，對于某一個RTOS的基本移植來說應(yīng)該就比較明了。
最后移植好的鴻蒙os，RT-Thread等實時操作系統(tǒng)的代碼均已在MRS上線，可以直接創(chuàng)建，開發(fā)相關(guān)應(yīng)用
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原文標(biāo)題：RISC-V MCU開發(fā)實戰(zhàn) (三)：移植鴻蒙OS項目
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也宣布將以RISC-V架構(gòu)再度進(jìn)入CPU市場。 這么多大廠紛紛在RISC-V上展開動作，但RISC-V的軟件生態(tài)尚未正式進(jìn)入爆發(fā)期。不過近期RISC-V軟件社區(qū)出現(xiàn)了多個
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RISC-V/ARM IDE ——MRS雙核開發(fā)項目實戰(zhàn)近年來,RISC-V生態(tài)發(fā)展一片欣欣向榮,眾多行業(yè)巨頭紛紛布局,國內(nèi)也涌現(xiàn)了一批
發(fā)表于 10-29 09:50
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![[<b class='flag-5'>RISC-V</b>]國產(chǎn)<b class='flag-5'>MCU</b> IDE ——MounRiver Studio(MRS)雙核<b class='flag-5'>開發(fā)</b><b class='flag-5'>項目</b><b class='flag-5'>實戰(zhàn)</b>](https://file.elecfans.com/web1/M00/D9/4E/pIYBAF_1ac2Ac0EEAABDkS1IP1s689.png)
RISC-V MCU開發(fā)(一):集成開發(fā)環(huán)境
工作中。 工欲善其事必先利其器，要想實現(xiàn)基于RISC-V MCU的項目開發(fā)，與之配套的集成開發(fā)環(huán)境必不可少。目前市場上可供選擇的
發(fā)表于 11-05 16:35
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工商網(wǎng)監(jiān)
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