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RISC-V MCU開發(fā)實(shí)戰(zhàn) (三):移植鴻蒙OS項(xiàng)目

電子發(fā)燒友論壇 ? 來源:未知 ? 作者:肖冰 ? 2021-11-01 11:08 ? 次閱讀
移植準(zhǔn)備:
  • 軟件平臺:MounRiver Studio( MRS);

  • 硬件平臺: CH32V307開發(fā)板;

  • 源碼獲?。?span style="white-space:pre-wrap;font-family:Consolas, 'Liberation Mono', Menlo, Courier, monospace;font-size:14px;text-align:left;background-color:rgba(0,0,0,.03);">https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m


步驟一:MRS中新建一個(gè)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22c30b86-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png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,2330a04c-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png操作方法為右鍵目錄或文件,點(diǎn)擊Include/Exclude From Build菜單項(xiàng)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(xiàng): ARM上移植實(shí)時(shí)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CH32V103CH32V307兩款芯片來詳細(xì)說下針對RISC-V平臺,移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的注意點(diǎn)。 在移植前,有必要對RISC-V的一些基本知識點(diǎn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有可能遇到的關(guān)鍵點(diǎn)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(shí)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(diǎn),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(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)需要關(guān)閉硬件壓棧,在切換任務(wù)時(shí)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(diǎn)寄存器(V3沒有浮點(diǎn)寄存器)。所有帶caller的寄存器,當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)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(gè)caller saved 寄存器。正常一個(gè)中斷函數(shù)的寄存器保存我們不用關(guān)心,編譯器會(huì)幫我們做的很好。但是當(dāng)我們從一個(gè)匯編入口進(jìn)中斷函數(shù)的時(shí)候這些過程就不得不由我們自己來實(shí)現(xiàn)。寄存器中幾個(gè)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(shí)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(gè)正常運(yùn)行的程序,除了x0,gp兩個(gè)初始值固定的外,其余的均會(huì)是不確定的,所有在進(jìn)行上下文保護(hù)時(shí),均需要保存。用到硬件浮點(diǎn)的時(shí)候,更是要保存32個(gè)浮點(diǎn)寄存器。23a3deae-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png 除了上述的寄存器,移植還要關(guān)心的是幾個(gè)csr寄存器mstatus,mepc。正常情況下大部分csr只能在機(jī)器模式下操作(WCH的v3和v4內(nèi)核支持機(jī)器模式和用戶模式)。mstatus中,MIE為中斷使能,當(dāng)進(jìn)中斷時(shí)MPIE更新為MIE,返回時(shí)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(jī)器模式,其mret返回后還是處于機(jī)器模式。mepc是機(jī)器模式下異常程序指針,其只會(huì)在發(fā)生異常是被更新(中斷也是一類異常),進(jìn)異常時(shí)我們可以從另外兩個(gè)csr寄存器mcause來看引起異常原因通過mtval查看引起異常時(shí)的值。當(dāng)從異常返回時(shí)mepc的值被更新給pc。我們正是通過進(jìn)中斷修改mepc來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換的,后面會(huì)詳細(xì)說明這個(gè)過程。 實(shí)時(shí)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(gè)定時(shí)器用于系統(tǒng)時(shí)間片的實(shí)現(xiàn),一個(gè)中斷用于任務(wù)切換。想要其能夠在一個(gè)MCU上成功的跑起來,需要弄清除一下幾個(gè)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(shí)進(jìn)行寄存器恢復(fù),如果開啟硬件浮點(diǎn),同時(shí)還會(huì)對浮點(diǎn)寄存器進(jìn)行保存和恢復(fù)。這個(gè)過程是編譯器幫我們實(shí)現(xiàn),有一點(diǎn)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(shí)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(shí)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(huì)在壓棧操作之后,中斷壓入的堆棧是當(dāng)前運(yùn)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(shí)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。241e58dc-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png 圖1 249d26b2-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png 圖2 (2)任務(wù)棧需要保存哪些內(nèi)容。
前文說過對于一個(gè)正常運(yùn)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(gè)RTOS中都會(huì)定義一個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)體:24f7b550-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png 圖3在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候均會(huì)為一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)id和堆棧大小并對這個(gè)堆棧做初始化:258e3ee4-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png 圖4 261155a4-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png 圖5任務(wù)創(chuàng)建好了后會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè)根據(jù)任務(wù)id關(guān)聯(lián)一個(gè)任務(wù)控制塊taskCB,總的任務(wù)個(gè)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。269261f8-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png 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。27276988-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png圖727a4d9d6-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png圖8
(3)如何開啟任務(wù)調(diào)度。
前面看了每個(gè)任務(wù)上下文保存位置,注意到堆棧初始化的時(shí)候把任務(wù)的入口地址給了context->epc。同時(shí)LiteOS_M源碼中定義了一個(gè)LosTask類型的全局變量g_losTask,其內(nèi)部只有兩個(gè)任務(wù)控制塊指針,一個(gè)指向當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù),一個(gè)指向新任務(wù),即要切換至的任務(wù)。283c6152-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png圖9當(dāng)做好一系列初始化后,LiteOS會(huì)調(diào)用HalStartSchedule來初始化系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器,并注冊系統(tǒng)定時(shí)器的中斷處理函數(shù),然后開始轉(zhuǎn)向執(zhí)行第一個(gè)任務(wù),如下圖所示:2897cfce-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png圖10其中OsSchedStart函數(shù)從任務(wù)列表中獲取第一個(gè)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:292bbfae-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png圖11這樣mret之后就轉(zhuǎn)向去執(zhí)行第一個(gè)任務(wù),并且不會(huì)再有返回,因?yàn)槊總€(gè)任務(wù)本身會(huì)是個(gè)循環(huán),這里也就能理解其源碼注釋 never return的含義。29a57e34-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png圖12其他操作系統(tǒng)中也有類似的操作,例如RT-Thread中有個(gè)rt_hw_context_switch_to函數(shù),其也是匯編代碼實(shí)現(xiàn),它是一個(gè)帶參數(shù)的函數(shù),其傳入的參數(shù)為(&to_thread->sp),如下圖:2a4bfcf0-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png圖13從名字就可以看出,傳遞的參數(shù)為啟動(dòng)執(zhí)行的第一個(gè)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(gè)任務(wù),那么如何實(shí)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(shí)間片進(jìn)行輪轉(zhuǎn)的,每個(gè)任務(wù)執(zhí)行一段時(shí)間,然后切換至下一個(gè)任務(wù)執(zhí)行。每次切換前我們需要把當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行保存,然后切換至新任務(wù),對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù),如此循環(huán)反復(fù),實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。時(shí)間片實(shí)現(xiàn)使用的是內(nèi)核的SysTick定時(shí)器,LiteOS_M是在los_timer.c中實(shí)現(xiàn)的,這個(gè)只需要根據(jù)實(shí)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(shí),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:

2aa9edec-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png圖14 2b15f17c-3a1a-11ec-82a9-dac502259ad0.png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(shí),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(gè)線程切換至另外一個(gè)線程。

弄清楚以上的問題,對于某一個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)戰(zhàn) (三):移植鴻蒙OS項(xiàng)目

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