SiFive 經(jīng)典RISC-V FE310微控制器原理與實(shí)踐

第1章 RISC-Ⅴ的歷史和機(jī)遇 001
1.1 RISC-Ⅴ發(fā)明團(tuán)隊(duì)與歷史 001
1.1.1 商業(yè)公司的指令集架構(gòu) 004
1.1.2 RISC-Ⅴ指令集架構(gòu)與其他指令集架構(gòu)的不同點(diǎn) 006
1.1.3 RISC-Ⅴ發(fā)展史及其標(biāo)志性事件 007
1.2 RISC-Ⅴ基金會(huì)成長(zhǎng)的歷史 008
1.2.1 RISC-Ⅴ基金會(huì)的成員介紹 009
1.2.2 RISC-Ⅴ基金會(huì)推動(dòng)20個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域的技術(shù) 011
1.2.3 RISC-Ⅴ基金會(huì)標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程及工作群組機(jī)制 012
1.2.4 RISC-Ⅴ國(guó)際協(xié)會(huì)的誕生 013
1.3 RISC-Ⅴ的生態(tài)系統(tǒng) 013
1.3.1 RISC-Ⅴ的開(kāi)發(fā)板和生態(tài)系統(tǒng) 014
1.3.2 部分RISC-Ⅴ社區(qū)生態(tài)的支持廠(chǎng)商 018
1.3.3 芯片設(shè)計(jì)界的RISC-Ⅴ產(chǎn)品進(jìn)展 021
1.4 SiFive研發(fā)團(tuán)隊(duì)技術(shù)沿革 023
1.4.1 Rocket Chip SoC生成器 024
1.4.2 使用Chisel語(yǔ)言編寫(xiě)Rocket Chip SoC生成器 025
1.4.3 Rocket標(biāo)量處理器 026
1.4.4 SiFive強(qiáng)力推動(dòng)RISC-Ⅴ生態(tài)發(fā)展 028
第2章 RISC-Ⅴ指令集架構(gòu)介紹 031
2.1 引言 031
2.2 RISC-Ⅴ指令集架構(gòu)特性 031
2.2.1 簡(jiǎn)潔性 032
2.2.2 模塊化 032
2.3 指令長(zhǎng)度編碼和指令格式 034
2.3.1 指令長(zhǎng)度編碼 034
2.3.2 指令格式 035
2.4 寄存器列表 036
2.4.1 通用寄存器 036
2.4.2 控制與狀態(tài)寄存器 037
2.4.3 程序計(jì)數(shù)器 038
2.5 地址空間與尋址模式 038
2.5.1 地址空間 038
2.5.2 小端格式 039
2.5.3 尋址模式 039
2.6 內(nèi)存模型 039
2.7 特權(quán)模式 040
2.8 中斷和異常 041
2.8.1 中斷和異常概述 041
2.8.2 RISC-Ⅴ機(jī)器模式下的中斷架構(gòu) 041
2.8.3 機(jī)器模式下中斷和異常的處理過(guò)程 042
2.9 調(diào)試規(guī)范 043
2.10 RISC-Ⅴ未來(lái)的擴(kuò)展子集 044
2.10.1 B標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展：位操作 044
2.10.2 H特權(quán)架構(gòu)擴(kuò)展：支持管理程序（Hypervisor） 044
2.10.3 J標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展：動(dòng)態(tài)翻譯語(yǔ)言 044
2.10.4 L標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展：十進(jìn)制浮點(diǎn) 045
2.10.5 N標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展：用戶(hù)態(tài)中斷 045
2.10.6 P標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展：封裝的單指令多數(shù)據(jù)（Packed-SIMD）指令 045
2.10.7 Q標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展：四精度浮點(diǎn) 045
2.10.8 V標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展：基本矢量擴(kuò)展 045
2.11 RISC-Ⅴ指令列表 045
2.11.1 I指令子集 046
2.11.2 M指令子集 051
2.11.3 A指令子集 052
2.11.4 F指令子集 054
2.11.5 D指令子集 055
2.11.6 C指令子集 056
第3章 SiFive FE310-G003微控制器 059
3.1 FE310-G003微控制器概述 060
3.1.1 E31 RISC-Ⅴ內(nèi)核 061
3.1.2 中斷 061
3.1.3 片內(nèi)存儲(chǔ)系統(tǒng) 061
3.1.4 始終上電（AON）模塊 062
3.1.5 通用輸入與輸出 062
3.1.6 通用異步接收器/發(fā)送器 062
3.1.7 硬件串行外設(shè)接口 062
3.1.8 脈沖寬度調(diào)制 062
3.1.9 I2C 062
3.1.10 調(diào)試支持 063
3.2 E31內(nèi)核介紹 063
3.2.1 E31內(nèi)核概述 063
3.2.2 中斷架構(gòu) 068
3.2.3 內(nèi)核本地中斷器（CLINT） 073
3.2.4 調(diào)試支持 074
3.3 E31 FE310-G003內(nèi)存映射 079
3.4 啟動(dòng)程序 081
3.4.1 復(fù)位向量 081
3.4.2 BootLoader 082
3.5 時(shí)鐘生成 083
3.5.1 時(shí)鐘生成概述 083
3.5.2 PRCI地址空間的使用 084
3.5.3 可校準(zhǔn)可編程72MHz振蕩器（HFROSC） 085
3.5.4 外接16MHz晶體振蕩器（HFXOSC） 086
3.5.5 內(nèi)置高頻PLL（HFPLL） 086
3.5.6 PLL輸出分頻器 088
3.5.7 內(nèi)置可編程低頻環(huán)形振蕩器（LFROSC） 089
3.5.8 備用低頻時(shí)鐘（LFALTCLK） 089
3.5.9 時(shí)鐘總結(jié) 090
3.6 電源模式 090
3.6.1 運(yùn)行模式 090
3.6.2 等待模式 090
3.6.3 睡眠模式 091
3.7 平臺(tái)級(jí)中斷控制器（PLIC） 091
3.7.1 內(nèi)存映射 091
3.7.2 中斷源 092
3.7.3 中斷優(yōu)先級(jí) 093
3.7.4 中斷未決位 093
3.7.5 中斷使能 094
3.7.6 優(yōu)先級(jí)閾值 095
3.7.7 中斷聲明流程 095
3.7.8 中斷完成 096
3.8 一次性可編程存儲(chǔ)器（OTP）外設(shè) 096
3.8.1 內(nèi)存映射 096
3.8.2 可編程I/O鎖定寄存器（otp_lock） 097
3.8.3 可編程I/O序列 097
3.8.4 讀序列控制寄存器（otp_rsctrl） 097
3.8.5 OTP編程警告 098
3.8.6 OTP編程過(guò)程 098
3.9 始終上電（AON）電源域 099
3.9.1 AON電源 100
3.9.2 AON時(shí)鐘 100
3.9.3 AON復(fù)位單元 100
3.9.4 上電復(fù)位電路 100
3.9.5 外部復(fù)位電路 100
3.9.6 復(fù)位原因 101
3.9.7 看門(mén)狗定時(shí)器（WDT） 101
3.9.8 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC） 101
3.9.9 備份寄存器 101
3.9.10 電源管理單元（PMU） 101
3.9.11 AON內(nèi)存映射 101
3.10 看門(mén)狗定時(shí)器（WDT） 103
3.10.1 看門(mén)狗計(jì)數(shù)器（wdogcount） 104
3.10.2 看門(mén)狗時(shí)鐘選擇 104
3.10.3 看門(mén)狗配置寄存器（wdogcfg） 104
3.10.4 看門(mén)狗比較器0（wdogcmp0） 105
3.10.5 看門(mén)狗鍵值寄存器（wdogkey） 105
3.10.6 喂狗寄存器（wdogfeed） 105
3.10.7 看門(mén)狗配置 106
3.10.8 看門(mén)狗復(fù)位 106
3.10.9 看門(mén)狗中斷（wdogip0） 106
3.11 電源管理單元（PMU） 106
3.11.1 PMU概述 106
3.11.2 內(nèi)存映射 107
3.11.3 PMU鍵值寄存器（pmukey） 108
3.11.4 PMU編程 108
3.11.5 初始化睡眠序列寄存器（pmusleep） 109
3.11.6 喚醒信號(hào)調(diào)理 109
3.11.7 PMU中斷使能寄存器（pmuie）和喚醒原因寄存器（pmucause） 110
3.12 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC） 111
3.12.1 RTC計(jì)數(shù)器（rtccounthi/rtccountlo） 111
3.12.2 RTC配置寄存器（rtccfg） 112
3.12.3 RTC比較器（rtccmp） 112
3.13 通用輸入輸出控制器（GPIO） 112
3.13.1 FE310-G003微控制器中的GPIO實(shí)例 114
3.13.2 內(nèi)存映射 114
3.13.3 輸入/輸出值 114
3.13.4 中斷 115
3.13.5 內(nèi)部上拉 115
3.13.6 驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度 115
3.13.7 輸出反轉(zhuǎn) 115
3.13.8 硬件I/O功能（IOF） 115
3.14 通用異步收發(fā)機(jī)（UART） 116
3.14.1 UART概述 117
3.14.2 FE310-G003微控制器中的UART實(shí)例 117
3.14.3 內(nèi)存映射 117
3.14.4 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（txdata） 118
3.14.5 接收數(shù)據(jù)寄存器（rxdata） 118
3.14.6 發(fā)送控制寄存器（txctrl） 118
3.14.7 接收控制寄存器（rxctrl） 119
3.14.8 中斷寄存器（ip和ie） 120
3.14.9 波特率除數(shù)寄存器（div） 120
3.15 串行外圍接口（SPI） 121
3.15.1 SPI概述 122
3.15.2 FE310-G003微控制器中的SPI實(shí)例 122
3.15.3 SPI內(nèi)存映射 123
3.15.4 串行時(shí)鐘除數(shù)寄存器（sckdiv） 124
3.15.5 串行時(shí)鐘模式寄存器（sckmode） 124
3.15.6 芯片選擇ID寄存器（csid） 125
3.15.7 芯片選擇默認(rèn)寄存器（csdef） 125
3.15.8 芯片選擇模式寄存器（csmode） 125
3.15.9 延遲控制寄存器（delay0和delay1） 126
3.15.10 幀格式寄存器（fmt） 127
3.15.11 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（txdata） 128
3.15.12 接收數(shù)據(jù)寄存器（rxdata） 128
3.15.13 發(fā)送水印寄存器（txmark） 129
3.15.14 接收水印寄存器（rxmark） 129
3.15.15 SPI中斷寄存器（ie和ip） 129
3.15.16 SPI閃存接口控制寄存器（fctrl） 130
3.15.17 SPI閃存指令格式寄存器（ffmt） 131
3.16 脈寬調(diào)制器（PWM） 131
3.16.1 PWM概述 131
3.16.2 FE310-G003微控制器中的PWM實(shí)例 132
3.16.3 PWM內(nèi)存映射 132
3.16.4 PWM計(jì)數(shù)器（pwmcount） 133
3.16.5 PWM配置寄存器（pwmcfg） 133
3.16.6 刻度化PWM計(jì)數(shù)器（pwms） 135
3.16.7 PWM比較器（pwmcmp0～pwmcmp3） 135
3.16.8 去毛刺和黏性電路 136
3.16.9 產(chǎn)生左向或右向的PWM波形 137
3.16.10 產(chǎn)生中心對(duì)齊（相位校正）PWM波形 137
3.16.11 使用組合生成任意的PWM波形 138
3.16.12 生成單次波形 138
3.16.13 PWM中斷 139
3.17 集成電路（I2C）主設(shè)備接口 139
3.18 調(diào)試接口 139
3.18.1 JTAG TAPC狀態(tài)機(jī) 139
3.18.2 復(fù)位JTAG邏輯 139
3.18.3 JTAG計(jì)時(shí)器 140
3.18.4 JTAG標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明 140
3.18.5 JTAG調(diào)試命令 140
第4章 使用Freedom E-SDK進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā) 141
4.1 SiFive Freedom Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝與介紹 141
4.1.1 Freedom Studio簡(jiǎn)介與安裝 141
4.1.2 啟動(dòng)Freedom Studio 144
4.1.3 創(chuàng)建sifive-welcome項(xiàng)目 145
4.1.4 配置sifive-welcome項(xiàng)目 146
4.1.5 編譯sifive-welcome項(xiàng)目 148
4.1.6 運(yùn)行sifive-welcome項(xiàng)目 149
4.1.7 調(diào)試程序 154
4.2 Hello World實(shí)例 156
4.2.1 新建Freedom工程 156
4.2.2 編譯生成可執(zhí)行文件 157
4.2.3 連接SiFive Learn Inventor開(kāi)發(fā)系統(tǒng) 158
4.2.4 修改J-LINK配置 158
4.2.5 程序下載及調(diào)試 158
4.2.6 使用Freedom Studio在線(xiàn)調(diào)試程序 160
4.3 Dhrystone基準(zhǔn)程序介紹 160
4.3.1 Dhrystone基準(zhǔn)程序功能介紹 161
4.3.2 Dhrystone基準(zhǔn)程序代碼結(jié)構(gòu) 163
4.3.3 Dhrystone基準(zhǔn)程序存在的問(wèn)題 164
4.3.4 在SiFive Learn Inventor開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上運(yùn)行Dhrystone基準(zhǔn)程序 164
4.4 CoreMark基準(zhǔn)程序介紹 166
4.4.1 CoreMark基準(zhǔn)程序功能介紹 166
4.4.2 CoreMark基準(zhǔn)程序代碼結(jié)構(gòu) 168
4.4.3 在SiFive Learn Inventor開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上運(yùn)行CoreMark基準(zhǔn)程序 168
4.4.4 CoreMark與Dhrystone兩種基準(zhǔn)程序的比較 169
第5章 FreeRTOS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用 171
5.1 嵌入式操作系統(tǒng) 171
5.1.1 為什么使用操作系統(tǒng) 17