原创 《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》-- 如何让RISC-V芯片跑起来

2019-10-30 22:13 4054 11 2 分类: MCU/ 嵌入式

有幸从面包板社区收到《RISC-V架构与嵌入式开发快速入门》这本书试读。


相比较于《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》侧重介绍芯片硬件,这本书主要介绍如何基于RISC-V架构的芯片进行软件开发。书中仍然包含了架构中的指令集和中断异常等基本硬件基础的介绍,并以开源蜂鸟E203 MCU Soc为例,讲解了常用外设的基础知识和驱动程序的开发逻辑。

 书中前四章仍然以介绍RISC-v架构为主,开始详细阐述了当前主流CPU的发展历程和主要应用市场,并由此引出RISC-V的诞生。对比了ARM / OPENRISCSPARC等架构,并暗示RISC-V会成为嵌入式领域的8051。书中第三章详细介绍了RISC-V的指令集架构,主要特点包括模块化的指令子集/规整的指令编码/高效的分支跳转指令/零硬件开销循环等。第四章包含中断和异常概述,讲解了RISC-V架构中的中断和异常处理机制。

 

什么是MCU?

微控制单元(Microcontroller Unit;MCU) ,又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机,是把中央处理器(Central Process Unit;CPU)的频率与规格做适当缩减,并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口,甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、PC外围、遥控器,至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等,都可见到MCU的身影。(摘自百度百科MCU詞條)

 

五六两章详细讲解了E203 MCU SoC所包含的系统硬件和外设资源。这颗MCU的RTL开源在github,感兴趣的同学可以下载了解一下设计芯片的代码长什么样子,熟悉verilog的IC designer也可以在FPGA上将代码跑起来,进一步调试程序。

E203 MCU包含的硬件资源主要包括RISC-V架构的E203 Core, 4k ROM, 片外Flash, clock和中断控制器,

分类其他外设包括GPIO/SPI/I2C/UART/PWM/WDT/PMU等

外设本质就是数字电路组成的功能模块,可以减少外围电路的复杂性。对于开发者一定要仔细分析产品需求进行MCU芯片选型并充分利用内置的外设资源。

UART WIKI: https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_asynchronous_receiver-transmitter

I2C协议最初由恩智浦公司定义并开发 官方spec: https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf, 现在已经推出I3C

SPI也是一种短距离同步串行通信协议,由摩托罗拉公司最初开发,因为没有正式的国际标准,所以有很多变种。

 

8-10章介绍GCC编译器和代码的编译过程

CPU只认识二进制指令,并不能理解汇编或者C代码。需要用工具将为了方便程序员理解定义的C或者汇编code翻译成机器所能理解的二进制指令。这个过程就叫做编译。

编译本身是一个非常复杂的过程。涉及到词法分析/语法分析/语义分析等,但是对于软件工程师来说,有了编译器,这个工具,一切又变得简单了。编译器可以理解你的代码,并将它转换,还能进行优化。

常用的嵌入式MCU编译器还有IAR的icc, keil的armcc, 开源的gcc for arm等,对于嵌入式软件工程师来说,因为iar和keil提供非常友好的图形界面开发系统,所以对应的编译器市场占有率非常高。如果在对MCU进行软件开发的时候,如果需要写汇编代码,需要注意区分编译器,不同的编译器支持的汇编伪指令一般不同。

IAR最近已经开始提供支持RISC-V版本的IDE, https://www.iar.com/iar-embedded-workbench/#!?architecture=RISC-V

 

10-14章,介绍了更加丰富的软件开发生态,包括支持RISC-V架构的 MCU Eclipse IDE/Hbird-E-SDK.基于这两大利器,软件开发者可以更加高效便捷的进行应用开发和调试。书中还讲解了几个比较典型的程序实例如GPIO和Coremark,介绍了程序功能和代码结构,方便初学者照葫芦画瓢,快速入门。

https://github.com/SI-RISCV/e200_opensource/tree/master/prebuilt_tools

https://github.com/SI-RISCV/hbird-e-sdk


Eclipse是非常流行的开源IDE开发框架,最初的Android应用开发的IDE也是基于Eclipse开发的,现在已经被Android Studio取代。

在MCU领域,社区开发者也基于Eclipse搞了一个 MCU Eclipse的开源项目,这个项目也很受MCU厂商的欢迎,基于MCU Eclipse, 芯片原厂可以根据自家芯片特性定制自己的IDE, 比如NXP的MCUX IDE,支持恩智浦全系列的MCU开发(flash loader/register debug等功能),还包含clock tool/peripheral tool自动生成clock和外设配置代码,还有trust zone tool可以生成安全相关的配置,power analyzer可以分析芯片功耗等等。

https://gnu-mcu-eclipse.github.io/

https://www.nxp.com/design/software/development-software/mcuxpresso-software-and-tools/mcuxpresso-integrated-development-environment-ide:MCUXpresso-IDE


 

对于MCU来说,因为相对有限的CPU计算资源和缺少MMU,并不能直接运行Linux,MCU本身也更适合应用在实时低功耗的采集和控制等应用。RTOS可以简化软件开发的任务逻辑,目前主流的RTOS主要有amazon的freertos/LF的zephyr/arm的mbed和国产的RT-thread/Huawei的lite os/ali的alios,以及ucos/mqx等。据说RTOS有三千多种。目前Freertos和rt-thread在社区已经有移植成功的代码可以使用,读者可以参阅Github上Hbird-E-SDK项目中software目录下的FreeRTOS或者RT-Thread目录下的代码和详细文档介绍,实现并运行实例程序。

 https://www.freertos.org/

https://www.rt-thread.org/

 

总的来说这本书介绍的很全面,从开源IDE和编译器的支持和使用介绍到作者自己封装的基于linux环境的HBird-E-SDK软件开发包,从外设原理到如何寄存器配置,从指令集介绍到如何进行汇编对芯片编程,还包含简短的ROTS简述和开源的移植后的示例代码。


此外,多家IC厂商也已经推出了基于RISC-V的MCU量产芯片,如恩智浦的Vega https://open-isa.org/

还有兆易创新的GD32VF103系列,官方旗舰店可以买到芯片,非常便宜10块钱不到好像。


作者: 凭栏映影, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3895810.html

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curton 2019-10-31 19:10

学习了
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