RISC-V架构与嵌入式开发快速入门
作者:胡振波
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编辑推荐
为了促进RISC-V在国内的普及，尤其是被广大初学者接受和快速入门，本书将分享和总结一些使用RISC-V进行嵌入式开发的相关技术和经验，主要面向对RISC-V感兴趣的入门用户，包括嵌入式软件开发和硬件设计人员。
本书的姊妹版《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》已经出版，提供了一个非常高效的超低功耗开源RISC-V处理器学习案例——蜂鸟E203，并对其进行了全方面剖析和讲解，解决了在CPU硬件设计方面中文资料欠缺的问题。
内容简介
本书是一本介绍RISC-V架构嵌入式开发的入门书籍，以通俗的语言系统介绍了嵌入式开发的基础知识和RISC-V架构的内容，力求帮助读者快速掌握RISC-V架构的嵌入式开发技术。
本书共分为两部分。*部分为第1～14章，基本涵盖了使用RISC-V架构进行嵌入式开发所需的所有关键知识。第二部分为附录部分，详细介绍了RISC-V指令集架构，辅以作者加入的背景知识解读和注解，以便于读者理解。
作者简介
胡振波，本科毕业于上海交通大学电子工程系，硕士毕业于上海交通大学微电子学院。拥有多年ASIC和CPU设计与验证经验，曾在Marvell公司任ARM架构CPU设计高级工程师，在Synopsys公司任研发经理，在比特大陆公司任IC设计总监，在武汉聚芯微电子公司任架构师，现致力于RISC-V架构在国内的传播和发展。他开发并开源了蜂鸟E203超低功耗RISC-V处理器内核。
目 录
第 1章 进入32位时代，谁能成为下一个80511
1.1 磨刀不误砍柴工—CPU基础知识介绍1
1.1.1 ISA—CPU的灵魂2
1.1.2 CISC与RISC3
1.1.3 32位与64位架构4
1.1.4 ISA众生相5
1.1.5 CPU的领域之分9
1.1.6 8位时代的传奇“前辈”—805110
1.1.7 IoT的崛起—32位时代的到来11
1.2 无敌是多么寂寞—ARM统治着的世界11
1.2.1 独乐乐与众乐乐—ARM公司的盈利模式12
1.2.2 小个子有大力量—无处不在的Cortex-M系列14
1.2.3 移动王者—Cortex-A系列在手持设备领域的巨大成功16
1.2.4 进击的巨人—ARM进军PC与服务器领域的雄心18
1.2.5 游戏终结者之ARM19
1.3 东边日出西边雨，道是无晴却有晴—RISC-V登场19
1.4 RISC-V和其他开放架构有何不同21
1.4.1 “平民英雄”—OpenRISC22
1.4.2 “豪门显贵”—SPARC22
1.4.3 “名校优生”—RISC-V23
1.5 结语：进入32位时代，谁能成为深嵌入式领域的下一个8051？23
第 2章 开源蜂鸟E203超低功耗RISC-V Core与SoC25
2.1 乱花渐欲迷人眼25
2.2 与众不同的蜂鸟E203处理器25
2.3 蜂鸟虽小，五脏俱全—蜂鸟E203简介26
2.4 蜂鸟E203性能指标27
2.5 蜂鸟E203配套SoC28
第3章 大道至简—RISC-V架构之魂29
3.1 简单就是美—RISC-V架构的设计哲学29
3.1.1 无病一身轻—架构的篇幅30
3.1.2 能屈能伸—模块化的指令集31
3.1.3 浓缩的都是精华—指令的数量31
3.2 RISC-V指令集架构简介32
3.2.1 模块化的指令子集32
3.2.2 可配置的通用寄存器组33
3.2.3 规整的指令编码33
3.2.4 简洁的存储器访问指令34
3.2.5 高效的分支跳转指令35
3.2.6 简洁的子程序调用36
3.2.7 无条件码执行36
3.2.8 无分支延迟槽37
3.2.9 零开销硬件循环37
3.2.10 简洁的运算指令38
3.2.11 优雅的压缩指令子集38
3.2.12 特权模式39
3.2.13 CSR寄存器40
3.2.14 中断和异常40
3.2.15 矢量指令子集40
3.2.16 自定制指令扩展40
3.2.17 总结与比较41
第4章 RISC-V架构的中断和异常43
4.1 中断和异常概述43
4.1.1 中断概述43
4.1.2 异常概述44
4.1.3 广义上的异常44
4.2 RISC-V架构异常处理机制46
4.2.1 进入异常47
4.2.2 退出异常50
4.2.3 异常服务程序50
4.3 RISC-V架构中断定义51
4.3.1 中断类型51
4.3.2 中断屏蔽54
4.3.3 中断等待55
4.3.4 中断优先级与仲裁55
4.3.5 中断嵌套56
4.3.6 总结比较57
4.4 RISC-V架构异常相关CSR寄存器57
4.5 蜂鸟E203的中断和异常实现58
第5章 开源蜂鸟E203 MCU SoC总体介绍59
5.1 Freedom E310 SoC简介59
5.2 蜂鸟E203 MCU SoC简介60
5.3 蜂鸟E203 MCU SoC框图60
5.4 蜂鸟E203 MCU SoC存储资源61
5.4.1 片上存储资源61
5.4.2 片外Flash存储资源61
5.5 蜂鸟E203 MCU SoC外设资源62
5.6 蜂鸟E203 MCU SoC地址分配62
5.7 蜂鸟E203 MCU SoC时钟域划分63
5.8 蜂鸟E203 MCU SoC电源域划分64
5.9 蜂鸟E203 MCU SoC低功耗模式64
5.10 蜂鸟E203 MCU SoC的全局复位65
5.11 蜂鸟E203 MCU SoC的上电流程控制66
5.12 蜂鸟E203 MCU SoC芯片引脚表67
5.13 蜂鸟E203 MCU SoC的GPIO引脚分配68
5.14 蜂鸟E203 MCU SoC的中断处理70
5.14.1 蜂鸟E203处理器核的异常和中断处理70
5.14.2 蜂鸟E203处理器的中断接口71
5.14.3 CLINT模块生成计时器中断和软件中断72
5.14.4 PLIC管理多个外部中断73
第6章 开源蜂鸟E203 MCU SoC外设介绍77
6.1 蜂鸟E203 MCU SoC外设总述77
6.2 PLIC78
6.3 CLINT78
6.4 LCLKGEN78
6.4.1 LCLKGEN简介78
6.4.2 LCLKGEN寄存器列表78
6.5 HCLKGEN79
6.5.1 HCLKGEN简介79
6.5.2 HCLKGEN寄存器列表79
6.6 GPIO79
6.6.1 GPIO特性79
6.6.2 GPIO寄存器列表80
6.6.3 I O结构和IOF模式80
6.6.4 SoC各外设复用GPIO引脚83
6.6.5 GPIO中断83
6.6.6 GPIO_VALUE寄存器84
6.6.7 GPIO_INPUT_EN寄存器84
6.6.8 GPIO_OUTPUT_EN寄存器85
6.6.9 GPIO_PORT寄存器85
6.6.10 GPIO_PUE寄存器85
6.6.11 GPIO_DS寄存器85
6.6.12 GPIO_OUTPUT_XOR寄存器85
6.6.13 GPIO_RISE_IE、GPIO_RISE_IP等寄存器85
6.7 SPI86
6.7.1 SPI背景知识简介86
6.7.2 SPI特性88
6.7.3 SPI寄存器列表89
6.7.4 SPI接口数据线90
6.7.5 通过SPI_SCKDIV寄存器配置SCK时钟频率90
6.7.6 通过SPI_SCKMODE寄存器配置SCK的极性与相位90
6.7.7 通过SPI_CSID寄存器配置SPI使能信号92
6.7.8 通过SPI_CSDEF寄存器配置使能信号的空闲值92
6.7.9 通过SPI_CSMODE寄存器配置使能信号的行为92
6.7.10 通过SPI_DELAY0和SPI_DELAY1寄存器配置使能信号的行为93
6.7.11 通过SPI_FCTRL寄存器使能QSPI0的Flash XiP模式94
6.7.12 通过SPI_FFMT寄存器控制QSPI0读取外部Flash95
6.7.13 通过SPI_FMT寄存器配置传输参数97
6.7.14 通过SPI_TXDATA寄存器发送数据97
6.7.15 通过SPI_RXDATA寄存器接收数据98
6.7.16 通过SPI_TXMARK寄存器配置发送中断阈值100
6.7.17 通过SPI_RXMARK寄存器配置接收中断阈值100
6.7.18 通过SPI_IE和SPI_IP寄存器控制中断101
6.8 I2C102
6.8.1 I2C背景知识简介102
6.8.2 I2C特性103
6.8.3 I2C寄存器列表103
6.8.4 I2C接口数据线104
6.8.5 通过I2C_PRERlo和I2C_PRERhi寄存器配置SCL时钟频率104
6.8.6 通过I2C_CTR寄存器配置功能和中断使能104
6.8.7 I2C模块产生中断105
6.8.8 通过I2C_TXR和I2C_RXR寄存器发送和接收数据105
6.8.9 通过I2C_CR和I2C_SR寄存器发起命令和查看状态106
6.8.10 初始化I2C模块的序列107
6.8.11 通过I2C模块向外部从设备写数据的常用序列107
6.8.12 通过I2C模块从外部从设备读数据的常用序列108
6.9 UART109
6.9.1 UART背景知识简介109
6.9.2 UART特性110
6.9.3 UART寄存器列表110
6.9.4 UART接口数据线111
6.9.5 通过UART_TXDATA寄存器发送数据111
6.9.6 通过UART_RXDATA寄存器接收数据112
6.9.7 通过UART_TXCTRL寄存器进行发送控制113
6.9.8 通过UART_RXCTRL寄存器进行接收控制113
6.9.9 通过UART_IE和UART_IP寄存器控制中断114
6.9.10 通过UART_DIV寄存器配置波特率115
6.10 PWM116
6.10.1 PWM背景知识简介116
6.10.2 PWM特性和结构图116
6.10.3 PWM寄存器列表117
6.10.4 通过PWMCFG寄存器进行配置118
6.10.5 计数器计数值PWMCOUNT寄存器和PWM周期119
6.10.6 计数器比较值PWMS寄存器120
6.10.7 PWM接口数据线121
6.10.8 产生左对齐或者右对齐的脉冲信号121
6.10.9 产生居中对齐的脉冲信号122
6.10.10 配置pwmcmpgang结连产生任意形状的脉冲信号124
6.10.11 配置pwmdeglitch防止输出毛刺124
6.10.12 PWM产生中断124
6.11 WDT125
6.11.1 WDT背景知识简介125
6.11.2 WDT特性和结构图125
6.11.3 WDT寄存器列表126
6.11.4 通过WDOGCFG寄存器进行配置127
6.11.5 计数器计数值WDOGCOUNT寄存器128
6.11.6 通过WDOGKEY寄存器解锁128
6.11.7 通过WDOGFEED寄存器喂狗129
6.11.8 计数器比较值WDOGS寄存器129
6.11.9 通过WDOGCMP寄存器配置阈值130
6.11.10 WDT产生全局复位130
6.11.11 WDT产生中断130
6.12 RTC131
6.12.1 RTC背景知识简介131
6.12.2 RTC特性和结构图131
6.12.3 RTC寄存器列表131
6.12.4 通过RTCCFG寄存器进行配置132
6.12.5 计数器计数值RTCHI RTCLO寄存器133
6.12.6 计数器比较值RTCS寄存器133
6.12.7 通过RTCCMP寄存器配置阈值134
6.12.8 RTC产生中断134
6.13 PMU134
6.13.1 PMU背景知识简介134
6.13.2 PMU特性和结构图135
6.13.3 PMU寄存器列表136
6.13.4 通过PMUKEY寄存器解锁136
6.13.5 通过PMUSLEEP寄存器进入休眠模式137
6.13.6 通过PMUSLEEPI寄存器配置休眠指令序列137
6.13.7 通过PMUBACKUP寄存器保存关键信息139
6.13.8 通过PMUIE寄存器配置唤醒条件139
6.13.9 通过PMUWAKEUPI寄存器配置唤醒指令序列140
6.13.10 通过PMUCAUSE寄存器查看唤醒原因141
第7章 开源蜂鸟E203 MCU开发板与调试器143
7.1 蜂鸟E203 MCU开发板143
7.2 蜂鸟E203 JTAG调试器143
第8章 编译过程简介145
8.1 GCC工具链介绍145
8.1.1 GCC工具链概述145
8.1.2 Binutils146
8.1.3 C运行库147
8.1.4 GCC命令行选项148
8.2 准备工作148
8.2.1 Linux安装148
8.2.2 准备Hello World程序148
8.3 编译过程149
8.3.1 预处理149
8.3.2 编译150
8.3.3 汇编150
8.3.4 链接151
8.3.5 一步到位的编译153
8.4 分析ELF文件153
8.4.1 ELF文件介绍153
8.4.2 ELF文件的段154
8.4.3 查看ELF文件154
8.4.4 反汇编155
8.5 嵌入式系统编译的特殊性156
8.6 本章小结156
第9章 嵌入式开发特点与RISC-V GCC工具链158
9.1 嵌入式系统开发特点158
9.1.1 交叉编译和远程调试158
9.1.2 移植newlib或newlib-nano作为C运行库159
9.1.3 嵌入式引导程序和中断异常处理160
9.1.4 嵌入式系统链接脚本160
9.1.5 减少代码体积161
9.1.6 支持printf函数161
9.1.7 提供板级支持包162
9.2 RISC-V GCC工具链简介162
9.2.1 RISC-V GCC工具链种类162
9.2.2 riscv-none-embed工具链下载163
9.2.3 RISC-V GCC工具链的（?Cmarch=）和（?Cmabi=）选项164
9.2.4 RISC-V GCC工具链的（?Cmcmodel=）选项168
9.2.5 RISC-V GCC工具链的其他选项169
9.2.6 RISC-V GCC工具链的预定义宏170
9.2.7 RISC-V GCC工具链使用实例170
第 10章 RISC-V汇编语言程序设计171
10.1 汇编语言简介171
10.2 RISC-V汇编程序概述172
10.3 RISC-V汇编指令173
10.4 RISC-V汇编程序伪操作173
10.5 RISC-V汇编程序示例177
10.5.1 定义标签177
10.5.2 定义宏178
10.5.3 定义常数178
10.5.4 立即数赋值178
10.5.5 标签地址赋值179
10.5.6 设置浮点舍入模式179
10.5.7 完整实例180
10.6 在C C 程序中嵌入汇编181
10.6.1 GCC内联汇编简述181
10.6.2 GCC内联汇编“输出操作数”和“输入操作数”部分182
10.6.3 GCC内联汇编“可能影响的寄存器或存储器”部分183
10.6.4 GCC内联汇编参考实例一184
10.6.5 GCC内联汇编参考实例二185
10.6.6 小结186
10.7 在汇编中调用C C 函数186
10.8 本章小结187
第 11章 基于HBird-E-SDK平台的软件开发与运行188
11.1 HBird-E-SDK平台简介188
11.2 HBird-E-SDK平台代码结构189
11.3 HBird-E-SDK板级支持包解析190
11.3.1 移植了Newlib桩函数190
11.3.2 支持了printf函数192
11.3.3 提供系统链接脚本193
11.3.4 系统启动引导程序198
11.3.5 系统异常和中断处理202
11.3.6 减少代码体积206
11.4 使用HBird-E-SDK开发和编译程序208
11.4.1 在HBird-E-SDK环境中安装工具链208
11.4.2 在HBird-E-SDK环境中开发程序210
11.4.3 编译使得程序从Flash直接运行211
11.4.4 编译使得程序从ITCM中运行212
11.4.5 编译使得程序从Flash上载至ITCM中运行213
11.5 使用HBird-E-SDK下载程序213
11.5.1 JTAG调试器与MCU原型开发板的连接213
11.5.2 设置JTAG调试器在Linux系统中的USB权限214
11.5.3 将程序下载至MCU原型开发板216
11.6 在MCU原型开发板上运行程序216
11.6.1 程序从Flash直接运行217
11.6.2 程序从ITCM中运行217
11.6.3 程序从Flash上载至ITCM中运行218
11.7 使用GDB远程调试程序218
11.7.1 调试器工作原理218
11.7.2 GDB常用操作示例220
11.7.3 使用GDB调试Hello World示例221
第 12章 开源蜂鸟E203 MCU的更多示例程序226
12.1 Dhrystone示例程序226
12.1.1 Dhrystone示例程序功能简介226
12.1.2 Dhrystone示例程序代码结构229
12.1.3 运行Dhrystone229
12.2 CoreMark示例程序231
12.2.1 CoreMark示例程序功能简介231
12.2.2 CoreMark示例程序代码结构232
12.2.3 运行CoreMark233
12.3 Demo_IASM示例程序234
12.3.1 Demo_IASM示例程序功能简介234
12.3.2 Demo_IASM示例程序代码结构234
12.3.3 Demo_IASM示例程序源码解析235
12.3.4 运行Demo_IASM235
12.4 Demo_GPIO示例程序236
12.4.1 Demo_GPIO示例程序功能简介236
12.4.2 Demo_GPIO示例程序代码结构237
12.4.3 Demo_GPIO示例程序源码分析237
12.4.4 运行Demo_GPIO243
12.5 中断嵌套244
第 13章 Windows IDE集成开发调试环境245
13.1 MCU Eclipse IDE简介与安装245
13.1.1 MCU Eclipse IDE简介245
13.1.2 RISC-V MCU Eclipse下载246
13.1.3 RISC-V MCU Eclipse安装247
13.2 启动Eclipse248
13.3 创建Hello World项目249
13.4 配置Hello World项目253
13.4.1 配置工具链路径253
13.4.2 配置项目的编译和链接选项256
13.4.3 配置项目的BSP262
13.4.4 配置项目的包含路径和文件265
13.5 编译Hello World项目267
13.6 运行Hello World项目269
13.6.1 安装JTAG调试器在Windows系统中的USB驱动269
13.6.2 通过Eclipse下载程序至MCU开发板270
13.6.3 在MCU开发板上运行程序274
13.7 调试Hello World项目276
13.8 拓展一：基于MCU Eclipse运行调试demo_gpio示例280
13.9 拓展二：基于MCU Eclipse运行调试dhrystone示例281
第 14章 开源蜂鸟E203 MCU开发板移植RTOS283
14.1 RTOS简述283
14.2 常用实时操作系统概述284
14.3 FreeRTOS简介285
14.4 蜂鸟E203 MCU移植RTOS286
附录A RISC-V架构指令集介绍287
A.1 RV32GC架构概述287
A.2 RV32E架构概述288
A.3 蜂鸟E203支持的指令列表288
A.4 寄存器组288
A.4.1 通用寄存器组289
A.4.2 CSR寄存器290
A.5 指令PC290
A.6 寻址空间划分290
A.7 大端格式或小端格式290
A.8 工作模式290
A.9 Hart概念291
A.10 复位状态291
A.11 中断和异常292
A.12 存储器地址管理292
A.13 存储器模型292
A.14 指令类型293
A.14.1 RV32IMAFDC指令列表293
A.14.2 基本整数指令（RV32I）293
A.14.3 整数乘法和除法指令（RV32M指令子集）302
A.14.4 浮点指令（RV32F，RV32D指令子集）304
A.14.5 存储器原子操作指令（RV32A指令子集）315
A.14.6 16位压缩指令（RV32C指令子集）318
A.15 伪指令320
A.16 指令编码320
附录B RISC-V架构CSR寄存器介绍321
B.1 蜂鸟E203支持的CSR寄存器列表321
B.2 RISC-V标准CSR322
B.2.1 misa322
B.2.2 mvendorid323
B.2.3 marchid323
B.2.4 mimpid323
B.2.5 mhartid324
B.2.6 fflags324
B.2.7 frm324
B.2.8 fcsr324
B.2.9 mstatus324
B.2.10 mtvec326
B.2.11 mepc326
B.2.12 mcause327
B.2.13 mtval (mbadaddr)327
B.2.14 mie328
B.2.15 mip328
B.2.16 mscratch328
B.2.17 mcycle和mcycleh329
B.2.18 minstret和minstreth329
B.2.19 mtime、mtimecmp和msip329
B.3 蜂鸟E203自定义CSR330mcounterstop330
附录C RISC-V架构的PLIC介绍331
C.1 概述331
C.2 PLIC中断目标332PLIC中断目标之阈值333
C.3 PLIC中断源333
C.3.1 PLIC中断源之闸口（Gateway）和IP334
C.3.2 PLIC中断源之编号（ID）334
C.3.3 PLIC中断源之优先级（Priority）334
C.3.4 PLIC中断源之中断使能（Enable）334
C.4 PLIC中断处理机制335
C.4.1 PLIC中断通知机制（Notification）335
C.4.2 PLIC中断响应机制（Claim）335
C.4.3 PLIC中断完成机制（Completion）336
C.4.4 PLIC中断完整流程336
C.5 PLIC寄存器总结337
C.6 总结与比较339
附录D 存储器模型背景介绍340
D.1 为何要有存储器模型的概念340
D.2 存储器模型定义了什么341
D.2.1 按序一致性模型341
D.2.2 松散一致性模型342
D.2.3 释放一致性模型342
D.2.4 存储器模型总结342
D.3 存储器模型应用实例343
D.4 RISC-V架构的存储器模型344
附录E 存储器原子操作指令背景介绍345
E.1 什么是“上锁”问题345
E.2 通过原子操作解决“上锁”问题346
E.3 通过互斥操作解决“上锁”问题346
E.4 RISC-V架构的相关指令348
附录F RISC-V指令编码列表349
F.1 RV32I指令编码349
F.2 RV32M指令编码350
F.3 RV32A指令编码350
F.4 RV32F指令编码350
F.5 RV32D指令编码351
F.6 RVC指令编码351
附录G RISC-V伪指令列表353
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