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作者：唐思超 来源：嵌入式资讯精选 随着微处理器市场竞争加剧，RISC-V指令集越来越受到关注。虽然RISC-V并非第一个开源的指令集（ISA），却是第一个可依据实际应用场景灵活选择指令集的指令集架构。RISC-V指令集架构可以满足从高性能服务器CPU直至超低功耗传感器内嵌CPU的全部应用场景。 通常情况下，一款处理器的启动代码基本采用汇编语言设计。其原因包括：
本文将解决前述问题，展示一种使用C语言为RISC-V处理器设计启动代码的方法。 为了更清晰地讨论问题并最大程度的便于读者理解某些流程，本文以芯来科技基于RV32IMC指令集的N205系列内核作为目标处理器，从N205内核的对标架构——来自ARM的Cortex-M内核在IAR EmbeddedWorkbench for ARM[1]（后文简称IAR）环境下的C语言启动代码切入，逐步引入并实现SEGGER Embedded Studio[2]（后文简称SES）环境下N205系列内核的C语言启动代码。 一、Cortex-M内核在IAR环境下的C语言启动代码 Cortex系列内核是ARM公司迄今为止最成功的系列产品，包括A、R、M三类，其中M系列主要针对微控制器市场。 Cortex-M内核具有以下特点：
代码段1所示内容是Cortex-M内核在IAR环境下使用C语言开发的启动代码。 【代码段-1】 #pragma language=extended ❶--snip--voidResetISR(void); ❷--snip--externvoid __iar_program_start(void); ❸staticunsigned long pulStack[64] @'.noinit'; ❹typedefunion ❺{ void (*pfnHandler)(void); unsigned long ulPtr;}uVectorEntry;__rootconst uVectorEntry __vector_table[] @'.intvec' = ❻{ { .ulPtr = (unsigned long)pulStack +sizeof(pulStack) }, ❼ ResetISR, --snip--};--snip--voidResetISR(void){ __iar_program_start();}此处对上述代码做简要分析： ❶是IAR的#pragma指导符。 ❷是复位函数声明，复位函数是处理器复位后首先执行的代码，有时也称为复位入口函数。 ❸是IAR系统函数声明，__iar_program_start是IAR的系统函数，主要作用是执行C运行环境初始化并调用系统主函数main。 ❹使用IAR @操作符定义系统栈区。 ❺声明向量表的联合类型。 ❻使用IAR对象属性声明__root及@操作符定义向量表，其中，第一个元素❼保存了栈底地址，后续元素均为函数地址。 从上述分析过程可以看出启动代码的必要工作包括定义栈区、定义并初始化向量表，定义并实现系统复位函数，初始化栈指针或栈寄存器等。依据处理器的架构不同，上述操作中某些过程需要由软件完成，有些则由硬件自动加载。 另外，有关IAR的指导符、对象属属性等内容不属于本文讨论范畴，有需要可自行查阅。这里给出两点提示：IAR环境的编译系统为IAR自行开发，故示例代码中的指导符号不适用于GCC；某些指导符会因IAR环境版本不同而有所差异。 二、在SES环境下实现RISC-V内核C语言启动代码的必要知识 前文提到，RISC-V是指令集而不是具体的设计实现，这与之前讨论的Cortex-M系列内核有很大不同。简单地说，不同厂商基于同种Cortex-M内核的处理器，仅从内核的层面来看可能没有太大差异，但不同厂商开发的具有相同指令集的RISC-V处理器则各有千秋：一方面是相同功能的具体实现可能不同；另一方面，不同厂商可以实现不同的指令扩展。 这里对比Cortex-M内核，列举RISC-V处理器的一些特点：不同厂商中断控制器的实现各有特色；中断响应时，处理器硬件不会保存上下文，需要软件完成该功能；向量表依据厂商不同而有明显差异，可能向量表的首地址保存的是指令而非地址。 在不同厂商的Cortex-M内核处理器间作切换时，由于处理器内核的一致性，启动代码几乎无需改动，因而使用汇编或者C语言来设计启动代码似乎差异不大，但要降低在不同厂商的RISC-V处理器间切换的复杂度，使用C语言开发启动代码是一种有效途径。 前文曾提到启动代码的必要工作包括定义栈区、定义并初始化向量表，定义并实现系统复位函数，初始化栈指针或栈寄存器等。在前述Cortex-M内核的C启动代码中，IAR提供了接口__iar_program_start，该接口隐藏了几乎所有细节。在SES环境下并没有这样的接口可供使用，为了实现RISC-V处理器的C语言启动代码，需要如下的编译器及链接器相关知识。 （1）GCC内联汇编 RISC-V处理器中的CSR寄存器需要特殊的指令才能进行访问，C编译器无法产生类似的指令，故C语言启动代码中仍然需要插入数条汇编指令。为了实现汇编指令与C语言的交互，需要使用GCC内联汇编，实例介绍如下：
其中：❶ asm为GCC内联汇编关键字，volatile为修饰符；❷ 双引号引用的汇编指令列表，如有多条指令，可以使用'\n'分割；其中%0代表输入操作数列表中的第一个值；❸ 可选的输出操作数列表；❹ 可选的输入操作数列表，此处'r'代表使用编译器自动分配的寄存器来存储变量vector_base；❺ 可选的受影响寄存器列表。 （2）section与初始化 简单来讲，将目标文件中的sections链接起来就是可执行文件。在默认情况下，编译器会创建标准sections。表1是标准section的简单介绍。 表1 标准section概要 通过表1可以看出，程序的可执行代码存放于.text section，已初始化的全局和静态变量存放于.data section。 一个典型的SoC系统通常包含两类存储器，即ROM和RAM。对于当今的处理器来说，这两部分通常是Flash和SRAM。系统掉电情况下，SRAM中是无法保存数据的，因此C语言中的变量初始值需要保存于Flash中。系统上电后，由初始化代码将初始化数据从Flash拷贝到SRAM的目标地址。如前所述，这是初始化代码的重要工作之一。 接下来将阐述如何从Flash中找到初始化数据的位置并在C语言中引用。 （3）链接器变量的C语言访问 从链接器的观点看，初始值在Flash中的存放地址称为LMA（加载存储地址），对应变量在SRAM的运行时地址称为VMA（虚拟存储地址）。链接器脚本是用来描述处理器存储器分布、各section 及标准section的包含关系、相应LMA及VMA地址或存放区域等的文件。 代码段2是一个标准链接器脚本的片段。这里通过这个片段来讲述链接器变量的C语言访问。 【代码段-2】 MEMORY{ --snip--}SECTIONS{ --snip-- __data_load_start__ = ALIGN(__srodata_end__ ,4); .data ALIGN(__RAM_segment_start__ , 4) :AT(ALIGN(__srodata_end__ , 4)) { __data_start__ = .; *(.data .data.*) } __data_end__ = __data_start__ +SIZEOF(.data); __data_size__ = SIZEOF(.data); __data_load_end__ = __data_load_start__ +SIZEOF(.data); --snip--}在代码段2中，定义了链接器脚本变量__data_load_start__、__data_start__及__data_end__。 其中：
在C语言中访问这些变量有以下两种方法： 将链接器脚本变量声明为数据类型，例如在C语言文件中声明extern uint32_t __data_load_start__;通过&__data_load_start__获取变量的值； 将链接器脚本变量声明为数组，例如在C语言文件中声明externuint32_t __data_load_start__[];通过__data_load_start__获取变量的值。 （4）函数属性 在通常情况下，编译器会为每个函数自动产生序言和结尾序列，即在函数的头部进行一些入栈操作，在函数的末尾进行对应的出栈操作。一个明显的问题就是在C语言启动代码中，复位函数执行时可能栈指针或栈寄存器还没有进行初始化，这时的栈操作极有可能会导致处理器访问非法地址而使程序崩溃。此外，如前文所提到的RISC-V处理器的复位入口可能保存的是跳转指令而不是地址，短的跳转地址可以保证用一条指令完成跳转。 鉴于上述原因，需要使用相关的函数属性来通知编译器剔除默认的函数序列并指定section，如下形式的复位函数定义可满足该要求：
三、RISC-V内核的C语言启动代码实例 前面内容介绍了相关背景知识和技术手段，下面通过一个实际的框架程序来展示RISC-V处理器的C语言启动代码。其中，代码段3是C语言启动代码的实现，代码段4是向量表。代码中的所有关键点前文均有介绍，在此不在赘述。 【代码段-3】 #include'riscv_encoding.h' #include<stdint.h>--snip--externuint32_t __data_load_start__; --snip--externuint32_t __bss_start__;--snip--externvoid (*const vector_base[])(void);externvoid main(void);--snip--conststruct { uint32_t* load; uint32_t* start; uint32_t* end;}dsection[3] = { --snip--};conststruct { uint32_t* start; uint32_t* end;}bsection[3] = { --snip--};void __attribute__((section('.init'),naked)) reset_handler() { register uint32_t *src, *dst; --snip-- /* 嵌入汇编 */ asm volatile('csrw 0x307,%0'::'r'(vector_base));--snip-- asm volatile('la gp, __sdata_start__+0x800'); asm volatile('la sp,__stack_end__');--snip-- /* 进行系统时钟初始化等 */ init(); /* 将数据的初始化值拷贝至RAM */ if(&__vectors_load_start__ !=&__RAM_segment_start__){ for(uint8_t idx = 0; idx < 3; idx++){ src=dsection[idx].load; dst=dsection[idx].start; while(dst < dsection[idx].end){ *dst=*src; dst++; src++; } } } /* 将.bss区域清零 */ for(uint8_t idx=0;idx < 3;idx++){ dst=bsection[idx].start; while(dst<bsection[idx].end){ *dst=0U; dst++; } } /* 调用主函数 */ main(); }--snip--【代码段-4】
四、结 语 #defineCSR_MTVT 0x307#defineSTR(R) #R#defineXSTR(R) STR(R) /*asm volatile('csrw 0x307, %0'::'r'(vector_base)); */asmvolatile('csrw 'XSTR(CSR_MTVT)',%0'::'r'(vector_base));作者简介： 唐思超,现任北京知存科技有限公司软件开发经理，负责人工智能芯片工具链及嵌入式开发,具有14年硬件电路设计及软件开发经验，擅长处理器、编译系统及操作系统的相关设计开发及底层机制的综合运用。 |
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