RISCV學習（5）GD32VF103 MCU架構了解

RISCV學習（5）GD32VF103 MCU架構了解

1、芯片內核功能簡介

GD32VF103 MCU架構，采用Bumblebee內核，芯來科技（Nuclei System Technology）與臺灣晶心科技（Andes Technology）聯合開發，由芯來科技（Nuclei System Technology）提供授權以及技術支持等服務。

架構特點：

  • CPU 內核（CPU Core）
    • 2 級變長流水線架構，采用一流的處理器架構設計，實現業界最高的能效比與最低的成本。
    • 簡單的動態分支預測器。
    • 指令預取單元，能夠按順序預取兩條指令， 從而隱藏指令的訪存延遲。
    • 支持機器模式（Machine Mode）和用戶模式（User Mode）。
  • 支持指令集架構（ISA， Instruction Set Architecture）
    • Bumblebee內核支持32位的RISC-V指令集架構，支持RV32IMAC指令子集的組合。
    • 硬件支持非對齊（Misalign）的存儲器訪問操作（Load/Store 指令）
  • 總線接口
    • 支持 32 比特寬的標準 AHB-Lite 系統總線接口，用于訪問外部指令和數據。
    • 支持 32 比特寬的指令局部存儲器（Instruction Local Memory， ILM）總線接口（支持標準的 AHB-Lite 或 SRAM 接口協議），用于連接私有的指令局部存儲器
    • 支持 32 比特寬的數據局部存儲器（Data Local Memory， DLM）總線接口（支持標準的 AHB-Lite 或 SRAM 接口協議），用于連接私有的數據局部存儲器。
    • 支持 32 比特寬的私有設備總線（Private Peripheral Interface， PPI），支持標準的 APB接口協議，用于連接私有的外設
  • 調試功能
    • 支持標準 JTAG 接口。
    • 支持 RISC-V 調試標準。
    • 支持 4 個硬件斷點（Hardware Breakpoints）。
    • 支持成熟的交互式調試工具
  • 低功耗管理
    • 支持 WFI（Wait For Interrupt）與 WFE（Wait For Event）進入休眠模式。
    • 支持兩級休眠模式：淺度休眠與深度休眠
  • 內核私有的計時器單元（Machine Timer，簡稱 TIMER）
    • 64 比特寬的實時計時器，支持產生 RISC-V 標準定義的計時器中斷。
  • 增強的內核中斷控制器（Enhanced Core Level Interrupt Controller， ECLIC）
    • 支持 RISC-V 標準定義的的軟件中斷、計時器中斷和外部中斷。
    • 支持數十個外部中斷源，中斷源的數目和分配請參見具體 MCU 芯片的數據手冊。
    • 支持 16 個中斷級別和優先級，支持軟件動態可編程修改中斷級別和中斷優先級的數值。
    • 支持基于中斷級別的中斷嵌套。
    • 支持快速向量中斷處理機制。
    • 支持快速中斷咬尾機制。
  • 支持NMI，不可屏蔽中斷
    架構圖如下圖所示：
    在這里插入圖片描述
    • ILM 和DLM：指令/數據 局部memory，AHB Lite（AHB的簡單版本，高性能/低功耗的嵌入式版本）接口訪問，周期基本可達到1 Cycle，相當于ARM 的TCM。
    • 訪問SRAM或者外部memory，則需要經過system bus總線，總線周期會高一些，
    • RISCV的版本為 1.1版本，更高級的版本模式等有變化，比如有4個模式等等。

2、芯片指令集

  • RV32 架構： 32 位地址空間，通用寄存器寬度 32 位。
  • I：支持 32 個通用整數寄存器。
  • M: 支持整數乘法與除法指令
  • C：支持編碼長度為 16 位的壓縮指令，提高代碼密度。
  • A：支持原子操作指令。
    按照 RISC-V 架構命名規則，以上指令子集的組合可表示為 RV32IMAC

2.1 指令集舉例說明

尋址

  • mv，傳送寄存器到寄存器
    mv rd，rs，rs源寄存器送到目標寄存器rd
    在這里插入圖片描述

  • lw，內存訪問，load word，將32位寄存器加載到目標寄存器，4字節讀出
    lw，x15,0x0（x23） --> x15 = [x23+0]，x15和x23是寄存器
    在這里插入圖片描述

  • lwsp：出棧指令

    lwsp x1，0x8(x2)，x1 = [x2+0x8]，x2是sp指針，sp+8的值 賦值給x1

  • sw，內存訪問，store word，將將32位寄存器寫到目標寄存器地址,4字節寫入，
    sw，x27,0x0(x23) --> [x23+0] = x27
    在這里插入圖片描述

  • swsp：壓棧指令
    swsp x1，0x8(x2)，[x2+0x8]=x1，x2是sp指針，將x1壓棧到sp+8的地址

  • lui，直接傳輸 將立即數左移12位到目標寄存器
    lui x27，0x20000 —> x27 = 0x20000<<12;
    在這里插入圖片描述

  • lbu，load byte unsigned，加載一個無符號數據到目標地址，lb是加載有符號數，會進行擴展
    lbu x27，0x0（x25） —> x27 = [x25 + 0]
    在這里插入圖片描述
    在這里插入圖片描述

  • sb，store byte，存儲一個byte字節。
    sb x27, 0x0（x25）
    在這里插入圖片描述

  • sd ，store dword，存儲8字節
    在這里插入圖片描述

  • ld，雙字加載
    在這里插入圖片描述

加減乘除法左移 右移指令

  • slli：左移指令
    在這里插入圖片描述

  • srli：右移指令
    在這里插入圖片描述

  • or：或指令
    在這里插入圖片描述

  • addi：加法指令， i代表immediate ，立即數
    addi，x8，x8，0xC9
    在這里插入圖片描述

跳轉指令

  • j，直接跳轉指令，后面直接跟地址
    j 0x080005ZF6
    在這里插入圖片描述

  • jalr，帶連接的跳轉指令，一般和auipc一起用，
    auipc x1,0x1 將x1=x1 +1 <<12，即加上0x1000,4k地址
    jalr x1,-0x5CA（x1），先計算跳轉地址，pc = x1- 0x5CA，然后將返回地址保存到x1，x1 =當前pc+4
    在這里插入圖片描述

其他指令

  • ret 指令
    在這里插入圖片描述

  • mret，異常返回指令
    在這里插入圖片描述

  • ebreak
    在這里插入圖片描述

  • ecall
    在這里插入圖片描述
    來看一段匯編，理解一些基礎指令
    在這里插入圖片描述
    函數調用，傳參數使用 x10 -x17，總共8個參數。

  • 左邊第250行代碼，函數led_blink函數，參數是test_counter_g。

  • mv x10，x27，將27的數據給了x10，說明x27就是test_counter_g的值，那就看x27的值

  • lw x27,0x0（x22），說明x27的值是通過x22地址讀出來的，那就看x22的地址，

  • lui x22,0x20000，addi x22,x22,0x70, x22 = 0x20000+0x70 = 0x20000070 地址，符合地址要求
    在這里插入圖片描述

  • 接下來，auipc x1, 0x1 那么 x1 = 080015FC

  • jalr x1，-0x3DA，那么x1 = 0x080045FC - 0x3DA = 0x08001222，就是led_blink 函數的地址

在這里插入圖片描述

  • 接著再看上面的代碼， lw x15,0x0(x23) ， lw x27,0x0(x22) ，加載了x22和x23地址的數據到x15和x27，x22是test_counter_g的地址， x23 的地址是什么呢？ 通過上面可以計算其地址
  • lui x23,0x20000，addi x23,x24,0x6C, x23 = 0x20000+0x6c = 0x2000006C 地址，是 current_test_count_g的地址
    在這里插入圖片描述
  • 這樣就比較好理解，加載了這兩個變量的值，就是用來判斷是否相等的。
  • beq x15,x27,0x8000632 如果不相等，直接跳走
  • 否則， c.mv x10,x24 ，把x24的值給了x10，說明又有函數調用
  • lui x24,0x40001 ， addi x24,x24,-0x800 x24的地址為，x24 = 0x40001000 - 0x800 = 0x40000800，其是一個外設地址，是TIMER3的base地址。
    在這里插入圖片描述
  • auipc x1,0x0 ， jalr x1,0x4F6(x1) ，x1 = 0x08000612+0x4F6 = 0x08000B08，是timer_counter_read函數的地址，
    在這里插入圖片描述
  • 接著是一個打印，剛剛x10 作為函數的返回值，這次作為打印的第三個參數，所以就是x12 寄存器的值，mv x12，x10
  • mv x11,x27 x27是 test_counter_g的值，是第二個參數
  • addi x10,x26,0x350 ，x10 = x26+x350，x26= 08000000，所以x10 = 08000350，字符串的地址
    在這里插入圖片描述
  • 最后是一個跳轉函數，auipc x1,0x1 jalr x1,-0x580(x1) ，跳轉地址= 08001622 - 0x580 = 0x080010A2，則是test_printf的函數。
    在這里插入圖片描述

3、芯片特權架構

Bumblebee 內核支持兩個特權模式（Privilege Modes）：

  • 機器模式（Machine Mode）是必須的模式，該 Privilege Mode 的編碼是 0x3。
  • 用戶模式（User Mode）是可配置的模式，該 Privilege Mode 的編碼是 0x0。

RISCV的CSR 寄存器可以反應內核的狀態，不是單個寄存器，是一系列寄存器。

3.1 機器模式（Machine Mode）

Bumblebee 內核有關 Machine Mode 的關鍵要點如下：

  • 處理器內核被復位后，默認處于 Machine Mode。
  • 在 Machine Mode 下，程序能夠訪問所有的 CSR 寄存器。
  • 跳轉到用戶模式。執行mret指令

3.2 用戶模式（User Mode）

Bumblebee 內核有關 User Mode 的關鍵要點如下：

  • 在 User Mode 下只能夠訪問 User Mode 限定的 CSR 寄存器，
  • 從用戶模式到機器模式，通過異常中斷

3.3 機器子模式（Machine Sub-Mode）

Bumblebee 內核的 Machine Mode 可能處于四種不同的狀態下，將之稱之為機器子模式
（Machine Sub-Mode）：

  • 正常機器模式（該 Machine Sub-Mode 的編碼是 0x0）：處理器內核被復位之后，處于此子模式之下。處理器復位后如果不產生異常、 NMI、中斷，則一直正常運行于此模式之下。
  • 異常處理模式（該 Machine Sub-Mode 的編碼是 0x2）：響應異常后處理器內核處于此狀態。
  • NMI 處理模式（該 Machine Sub-Mode 的編碼是 0x3）：響應 NMI 后處理器內核處于此狀態。
  • 中斷處理模式（該 Machine Sub-Mode 的編碼是 0x1）：響應中斷后處理器內核處于此狀態。

處理器內核當前處于的 Machine Sub-Mode 反映在 CSR 寄存器 msubm 的 TYP 域中，因此軟件可以通過讀取此 CSR 寄存器查看當前處于的 Machine Sub-Mode。
注意： 在 RISC-V 架構中，進入異常、 NMI 或者中斷也被統稱為 Trap。
在這里插入圖片描述

3.4 不支持PMP

  • PMP ：physical Memory Protection，物理內存保護，即ARM 芯片里面的MPU

4、芯片中斷機制

芯片中斷主要有外部中斷和內部中斷，中斷跳轉模式主要有向量模式與非向量模式。
在這里插入圖片描述
具體詳情，可以參考筆者這篇文章RISCV學習（4）GD32VF103 MCU芯片學習。

5、芯片異常機制

RISCV的芯片異常機制沒有自動保存寄存器，需要用戶自身保存。

異常處理的流程如下：均是硬件行為，一個時鐘周期內完成。

  • 停止執行當前程序流，轉而從 CSR 寄存器 mtvec 定義的 PC 地址開始執行。
  • 更新相關 CSR 寄存器，分別是以下幾個寄存器：
    • mcause（Machine Cause Register）
    • mepc（Machine Exception Program Counter）
    • mtval（Machine Trap Value Register ）
    • mstatus（Machine Status Register）
  • 更新處理器內核的 Privilege Mode 以及 Machine Sub-Mode。
    在這里插入圖片描述
    mtvec ：硬件異常處理函數的統一入口，最低64位對齊。
    在這里插入圖片描述
    如下圖所示：mtvec 為 x080013C3，
  • mtvec ADDR：0異常地址：0x080013C0，而該地址則為trap_entry的地址。
  • mtvec MODE：0x11，則為ECLIC 中斷模式
    在這里插入圖片描述

在這里插入圖片描述
筆者測試的異常代碼如下：

if(test_counter_g == 3){current_test_count_g = 0;test_printf("%d\r\n",(test_counter_g/current_test_count_g));}

mepc：保存進入異常之前的PC值，作為異常返回的地址，當然也可以作為分析出錯的地址，2字節對齊。
在這里插入圖片描述
如下圖所述，mepc值為0x080005fa，指令為ebreak，確實會產生異常，可能編譯器認為筆者是想進入異常，則編譯成了該指令。
在這里插入圖片描述在這里插入圖片描述
mcause：異常原因寄存器，其值為0x38000003
在這里插入圖片描述

  • INTERRUPT：其值為0，表示異常。
  • MPP：其值為3，表示特權模式，0為用戶模式
  • MPIE：其值為1，表示允許中斷，
  • EXCCODE：0x3，表示斷點指令，可以進入異常。
    在這里插入圖片描述
    mtval：表示異常的訪問地址或者指令編碼，筆者這里為0，表示該數據沒有意義。

再比如一個例子：機器模式下面直接調用ecall，會觸發進入異常。

test_entry:ecallret

在這里插入圖片描述
在這里插入圖片描述
筆者測試，即使非對齊訪問和寫入，不會觸發異常，依然程序正常進行，待后續研究。

再來一個例子，非法指令

led_blink(test_counter_g);if(current_test_count_g != test_counter_g){test_printf("test_counter_g=%d timer_counter=%d\r\n",test_counter_g,timer_counter_read(TIMER3));test_printf("mcause=0x%x, int num=%d, time=%d\r\n", int_num_g, (int_num_g&0x3FF), rdtime());current_test_count_g = test_counter_g;}

異常編碼為2，代表非法指令，pc指針為0800061e，然后mtval記錄的指令地址為0xC01026F2，就是這個非法指令的值。
在這里插入圖片描述
在這里插入圖片描述

6、芯片timer

6.1 系統TIMER

系統timer屬于外設，外設的地址由廠商自己定義，沒有定義成CSR寄存器。64位的寄存器。

#define TIMER_MSIP 0xFFC
#define TIMER_MSIP_size   0x4
#define TIMER_MTIMECMP 0x8
#define TIMER_MTIMECMP_size 0x8
#define TIMER_MTIME 0x0
#define TIMER_MTIME_size 0x8#define TIMER_CTRL_ADDR           0xd1000000
unsigned int mtime_lo(void)
{return *(volatile unsigned int *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIME);
}unsigned int mtime_hi(void)
{return *(volatile unsigned int *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MTIME + 4);
}

寄存器地址如下：
在這里插入圖片描述
測試效果如下：主循環打印

test_printf("mtime low=%d, diff=%d\r\n",mtime_lo(), (mtime_lo()-mtime_low_g));
mtime_low_g = mtime_lo();

在這里插入圖片描述
timer里面可以軟件中斷：msip軟件中斷
msip軟件中斷 中斷號為3，仍然需要設置中斷模式以及向量等方式。

#if (INTERRUPT_MODE==INTERRUPT_VECTOR_MODE)__attribute__((interrupt)) void eclic_msip_handler()
#else
void eclic_msip_handler()
#endif
{msip_int_num_g =  read_csr(mcause);msip_int_clear();
}void set_software_int()
{#if (INTERRUPT_MODE == INTERRUPT_VECTOR_MODE) eclic_set_vmode(CLIC_INT_SFT);
#elseeclic_set_nonvmode(CLIC_INT_SFT);
#endifeclic_set_posedge_trig(CLIC_INT_SFT);eclic_irq_enable(CLIC_INT_SFT, 1, 0);
}void msip_int_set()
{*(volatile unsigned int *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MSIP) = 1;
}int msip_int_get()
{return *(volatile unsigned int *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MSIP) ;
}void msip_int_clear()
{*(volatile unsigned int *)(TIMER_CTRL_ADDR + TIMER_MSIP) = 0;
}msip_int_set();
test_printf("set msip int,reg=%d, int num=%d\r\n",msip_int_get(),  (msip_int_num_g&0x3FF));

在這里插入圖片描述

6.2 指令周期計數器和指令計數器

mcycle 為：指令周期計數器
instret：指令計數器

這兩者均是CSR寄存器。

cycle_start_g = read_csr(mcycle) ;
current_test_count_g = test_counter_g;
test_printf("start=%d end=%d, cycle=%d\r\n", cycle_start_g, read_csr(mcycle), (read_csr(mcycle))-cycle_start_g);cycle_start_g = read_csr(instret) ;
current_test_count_g = test_counter_g;
test_printf("start=%d end=%d, cycle=%d\r\n", cycle_start_g, read_csr(instret), (read_csr(instret))-cycle_start_g);

在這里插入圖片描述
指令完成計數器：總共完成了5條指令，
在這里插入圖片描述
時鐘周期：總共花費5個時鐘周期，

在這里插入圖片描述

7 附錄參考

中斷向量號

/* define interrupt number */
typedef enum IRQn
{CLIC_INT_RESERVED        	 = 0,      			/*!< RISC-V reserved		*/CLIC_INT_SFT         		 = 3,				/*!< Software interrupt		*/CLIC_INT_TMR         		 = 7,				/*!< CPU Timer interrupt	*/CLIC_INT_BWEI        		 = 17,				/*!< Bus Error interrupt	*/CLIC_INT_PMOVI       		 = 18,				/*!< Performance Monitor	*//* interruput numbers */WWDGT_IRQn                   = 19,      /*!< window watchDog timer interrupt                          */LVD_IRQn                     = 20,      /*!< LVD through EXTI line detect interrupt                   */TAMPER_IRQn                  = 21,      /*!< tamper through EXTI line detect                          */RTC_IRQn                     = 22,      /*!< RTC alarm interrupt                                      */FMC_IRQn                     = 23,      /*!< FMC interrupt                                            */RCU_CTC_IRQn                 = 24,      /*!< RCU and CTC interrupt                                    */EXTI0_IRQn                   = 25,      /*!< EXTI line 0 interrupts                                   */EXTI1_IRQn                   = 26,      /*!< EXTI line 1 interrupts                                   */EXTI2_IRQn                   = 27,      /*!< EXTI line 2 interrupts                                   */EXTI3_IRQn                   = 28,      /*!< EXTI line 3 interrupts                                   */EXTI4_IRQn                   = 29,     /*!< EXTI line 4 interrupts                                   */DMA0_Channel0_IRQn           = 30,     /*!< DMA0 channel0 interrupt                                  */DMA0_Channel1_IRQn           = 31,     /*!< DMA0 channel1 interrupt                                  */DMA0_Channel2_IRQn           = 32,     /*!< DMA0 channel2 interrupt                                  */DMA0_Channel3_IRQn           = 33,     /*!< DMA0 channel3 interrupt                                  */DMA0_Channel4_IRQn           = 34,     /*!< DMA0 channel4 interrupt                                  */DMA0_Channel5_IRQn           = 35,     /*!< DMA0 channel5 interrupt                                  */DMA0_Channel6_IRQn           = 36,     /*!< DMA0 channel6 interrupt                                  */ADC0_1_IRQn                  = 37,     /*!< ADC0 and ADC1 interrupt                                  */CAN0_TX_IRQn                 = 38,     /*!< CAN0 TX interrupts                                       */CAN0_RX0_IRQn                = 39,     /*!< CAN0 RX0 interrupts                                      */CAN0_RX1_IRQn                = 40,     /*!< CAN0 RX1 interrupts                                      */CAN0_EWMC_IRQn               = 41,     /*!< CAN0 EWMC interrupts                                     */EXTI5_9_IRQn                 = 42,     /*!< EXTI[9:5] interrupts                                     */TIMER0_BRK_IRQn              = 43,     /*!< TIMER0 break interrupts                                  */TIMER0_UP_IRQn               = 44,     /*!< TIMER0 update interrupts                                 */TIMER0_TRG_CMT_IRQn          = 45,     /*!< TIMER0 trigger and commutation interrupts                */TIMER0_Channel_IRQn          = 46,     /*!< TIMER0 channel capture compare interrupts                */TIMER1_IRQn                  = 47,     /*!< TIMER1 interrupt                                         */TIMER2_IRQn                  = 48,     /*!< TIMER2 interrupt                                         */TIMER3_IRQn                  = 49,     /*!< TIMER3 interrupts                                        */I2C0_EV_IRQn                 = 50,     /*!< I2C0 event interrupt                                     */I2C0_ER_IRQn                 = 51,     /*!< I2C0 error interrupt                                     */I2C1_EV_IRQn                 = 52,     /*!< I2C1 event interrupt                                     */I2C1_ER_IRQn                 = 53,     /*!< I2C1 error interrupt                                     */SPI0_IRQn                    = 54,     /*!< SPI0 interrupt                                           */SPI1_IRQn                    = 55,     /*!< SPI1 interrupt                                           */USART0_IRQn                  = 56,     /*!< USART0 interrupt                                         */USART1_IRQn                  = 57,     /*!< USART1 interrupt                                         */USART2_IRQn                  = 58,     /*!< USART2 interrupt                                         */EXTI10_15_IRQn               = 59,     /*!< EXTI[15:10] interrupts                                   */RTC_ALARM_IRQn               = 60,     /*!< RTC alarm interrupt EXTI                                 */USBFS_WKUP_IRQn              = 61,     /*!< USBFS wakeup interrupt                                   */EXMC_IRQn                    = 67,     /*!< EXMC global interrupt                                    */TIMER4_IRQn                  = 69,     /*!< TIMER4 global interrupt                                  */SPI2_IRQn                    = 70,     /*!< SPI2 global interrupt                                    */UART3_IRQn                   = 71,     /*!< UART3 global interrupt                                   */UART4_IRQn                   = 72,     /*!< UART4 global interrupt                                   */TIMER5_IRQn                  = 73,     /*!< TIMER5 global interrupt                                  */TIMER6_IRQn                  = 74,     /*!< TIMER6 global interrupt                                  */DMA1_Channel0_IRQn           = 75,     /*!< DMA1 channel0 global interrupt                           */DMA1_Channel1_IRQn           = 76,     /*!< DMA1 channel1 global interrupt                           */DMA1_Channel2_IRQn           = 77,     /*!< DMA1 channel2 global interrupt                           */DMA1_Channel3_IRQn           = 78,     /*!< DMA1 channel3 global interrupt                           */DMA1_Channel4_IRQn           = 79,     /*!< DMA1 channel3 global interrupt                           */CAN1_TX_IRQn                 = 82,     /*!< CAN1 TX interrupt                                        */CAN1_RX0_IRQn                = 83,     /*!< CAN1 RX0 interrupt                                       */CAN1_RX1_IRQn                = 84,     /*!< CAN1 RX1 interrupt                                       */CAN1_EWMC_IRQn               = 85,     /*!< CAN1 EWMC interrupt                                      */USBFS_IRQn                   = 86,     /*!< USBFS global interrupt                                   */ECLIC_NUM_INTERRUPTS
} IRQn_Type;

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