opensbi下的riscv64裸機系列編程1(串口輸出)

• 1.說明

• 2.opensbi的編譯

• 3.基本環境的準備

  • 3.1 準備qemu

  • 3.2 準備交叉編譯工具鏈

• 4.工程完善

• 5.封裝的sbi接口

• 6.程序運行

• 7.printf函數的實現

• 8.小結

1.說明

前面的文章中已經提到了opensbi的作用不僅僅是一個引導作用，還提供了M模式轉換到S模式的實現，同時在S-Mode下的內核可以通過這一層訪問一些M-Mode的服務。

本文會從最小系統角度出發，利用opensbi的M-Mode的服務在控制臺上輸出Hello。

2.opensbi的編譯

opensbi提供了三種引導啟動模式

• FW_PAYLOAD
• FW_JUMP
• FW_DYNAMIC

那么這三種模式有什么區別呢？

FW_PAYLOAD

這種模式會直接將Opensbi固件與uboot等綁定在一起。

可以說這種模式是需要bootloader的。

FW_JUMP

這種模式會直接跳轉到bootloader去執行。

這個對于qemu的啟動模式來說十分的有用。

FW_DYNAMIC

這種模式跳轉的時候會傳遞動態的參數

這里是通過寄存器a2傳遞了fw_dynamic_info結構體信息。

為了簡化模型，目前只通過FW_JUMP方式進行跳轉。

下載opensbi的代碼

gitclonehttps://github.com/riscv/opensbi.git

進行編譯

exportCROSS_COMPILE=riscv64-unknown-elf-
makePLATFORM=genericclean
makePLATFORM=genericFW_JUMP_ADDR=0x80200000

注意FW_JUMP_ADDR=0x80200000是指定的跳轉地址。當然可以指定固件跳轉到其他的地址。

生成fw_jump.elf位于platform/generic/firmware/fw_jump.elf。

3.基本環境的準備

3.1 準備qemu

可以到官網下載最新的qemu

https://www.qemu.org

解壓后進行安裝與編譯。

tarxvfqemu-5.2.0.tar.xz
./configure--target-list=riscv64-softmmu
make
sudomakeinstall

3.2 準備交叉編譯工具鏈

可以到官網上下載對應的交叉編譯工具鏈

https://www.sifive.com/software

準備交叉編譯工具鏈

exportPATH=$PATH:/opt/riscv64-unknown-elf-gcc-8.3.0-2020.04.0-x86_64-linux-ubuntu14/bin/

4.工程完善

相關的實驗代碼已經放到倉庫

https://github.com/bigmagic123/riscv64_opensbi_baremetal/tree/master/01_startup

工程的目錄結構如下：

.
├──build.sh##編譯腳本
├──entry.s##入口函數
├──fw_bin##可執行的固件腳本
│├──fw_jump.elf##opensbi
│├──hello.elf##編譯完成的固件
│└──run.sh##直接運行的腳本
├──link.ld##鏈接文件
├──main.c##主函數
├──readme.md
└──sbi.h##sbi調用api

首先是編譯腳本

build.sh

目前為了簡化工程，暫時沒有使用makefile文件。

riscv64-unknown-elf-gcc-nostdlib-centry.s-oentry.o
riscv64-unknown-elf-gcc-nostdlib-cmain.c-omain.o
riscv64-unknown-elf-ld-ofw_bin/hello.elf-Tlink.ldentry.omain.o

編譯了entry.s和main.c文件，并通過link.ld文件進行鏈接。

link.ld

鏈接腳本規定了程序的布局

OUTPUT_ARCH("riscv")
OUTPUT_FORMAT("elf64-littleriscv")
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
/*text:testcodesection*/
.=0x80200000;
start=.;

.text:{
stext=.;
*(.text.entry)
*(.text.text.*)
.=ALIGN(4K);
etext=.;
}

.data:{
sdata=.;
*(.data.data.*)
edata=.;
}

.bss:{
sbss=.;
*(.bss.bss.*)
ebss=.;
}
PROVIDE(end=.);
}

整體的鏈接腳本寫在SECTION{ }包含的結構中。

其中*代表通配符，而.則表示當前的地址。當鏈接腳本需要使用的時候，可將其通過-T進行參數的傳遞。

entry.s

該文件描述了執行的入口函數。

.section.text.entry
.globl_start
_start:
/*setupstack*/
lasp,stack_top#setupstackpointer
callmain
halt:jhalt#entertheinfiniteloop

loop:
jloop

.section.bss.stack
.align12
.globalstack_top
stack_top:
.space4096*4
.globalstack_top

最關鍵的是兩點：

• 設置函數堆地址
• 跳轉到main函數

stack_top:
.space4096*4
.globalstack_top

將棧頂設置，通過call跳轉到c語言的main函數。

main.c

#include"sbi.h"
voidmain()
{
SBI_PUTCHAR('H');
SBI_PUTCHAR('e');
SBI_PUTCHAR('l');
SBI_PUTCHAR('l');
SBI_PUTCHAR('o');
SBI_PUTCHAR('
');
while(1){}
}

這個程序會調用opensbi的函數，此時可以在S-Mode訪問M-Mode的串口輸出服務。

5.封裝的sbi接口

可以通過下面的官方文檔來了解其使用。

https://github.com/riscv/riscv-sbi-doc/blob/master/riscv-sbi.adoc

在進行M-Mode服務訪問的時候，采用了ECALL進行系統調用。

在系統調用過程中，ecall會使用a0與a7寄存器。其中a7寄存器保留的是系統的調用號，而a0寄存器則保存系統的調用參數。返回值則會保存在a0寄存器中。

需要注意的是在RISCV的設計上，S模式不直接控制時鐘中斷和軟件中斷，而是使用ecall指令請求M模式設置定時器或在代理處理器中斷。

所以opensbi在提供M-Mode服務的時候，到目前為止，opensbi提供的sbi服務接口有如下的表示：

這里只使用了sbi_console_putchar接口。

接著看看具體的ecall的實現：

#defineSBI_ECALL(__num,__a0,__a1,__a2)
({
registerunsignedlonga0asm("a0")=(unsignedlong)(__a0);
registerunsignedlonga1asm("a1")=(unsignedlong)(__a1);
registerunsignedlonga2asm("a2")=(unsignedlong)(__a2);
registerunsignedlonga7asm("a7")=(unsignedlong)(__num);
asmvolatile("ecall"
:"+r"(a0)
:"r"(a1),"r"(a2),"r"(a7)
:"memory");
a0;
})

根據上述的解釋，ecall采用的是內嵌匯編函數。

ecall
iia0,101
lia1,0
lia2,0
lia7,1

這個內嵌匯編的展開形式如上面所示，a0、a1、a2表示傳遞的參數，a7表示系統調用號。

而根據內嵌匯編的語法，有著如下的格式

asm(assemblertemplate
:/*outputoperands*/
:/*inputoperands*/
:/*clobberedregisterslist*/
);

對于C語言來說，其函數的調用規則是處理器規定的，而編譯器可以按照這種規則進行翻譯代碼。riscv的函數調用規則可以按照下面的文檔進行操作。

https://riscv.org/wp-content/uploads/2015/01/riscv-calling.pdf

而對于main函數中的SBI_PUTCHAR其展開為

#defineSBI_CONSOLE_PUTCHAR1
#defineSBI_PUTCHAR(__a0)SBI_ECALL_1(SBI_CONSOLE_PUTCHAR,__a0)
#defineSBI_ECALL_1(__num,__a0)SBI_ECALL(__num,__a0,0,0)

可以看到通過ecall只傳遞一個參數。

6.程序運行

在fw_bin文件夾下輸入./run.sh就可以運行看到效果了。

而這條操作的代碼如下：

qemu-system-riscv64-Msifive_u-biosfw_jump.elf-kernelhello.elf-nographic

對應的machine是sifive_u。bios是fw_jump.elf。

7.printf函數的實現

對于printf函數的使用很容易，但是深入了解其實現機制，發現并不簡單，因為可變參數的特性使得其變得復雜起來。

實驗代碼如下：

https://github.com/bigmagic123/riscv64_opensbi_baremetal/tree/master/02_printf

看一個glibc中的prinf的實現機制。

#include
#include
#include

/*WriteformattedoutputtostdoutfromtheformatstringFORMAT.*/
/*VARARGS1*/
intprintf(constchar*format,...)
{
va_listarg;
intdone;

va_start(arg,format);
done=vprintf(format,arg);
va_end(arg);

returndone;
}

對于上述的定義

intprintf(constchar*format,...)

format表示固定的參數，...表示可變的參數。

主要的實現過程利用三個函數進行

va_start(p,format)//將指針p移到第一個變量參數
var=va_arg(p,變量類型)//已知變量的情況下，移到下個參數變量
va_end(p)//結束參數使用等價于p=NULL

這里為了實現方便，我直接使用開源的tinyprintf。

https://github.com/cjlano/tinyprintf

移植的過程也很容易，在main.c文件中作如下的實現：

#include"sbi.h"
#include"tinyprintf.h"
#defineUNUSED(x)(void)(x)
staticvoidstdout_putc(void*unused,char*ch)
{
SBI_PUTCHAR(ch);
}
voidmain()
{
init_printf(0,stdout_putc);

tfp_printf("helloworld
");
while(1){}
}

只需要移植init_printf接口就可以使用tfp_printf進行串口輸出了。

結果如下：

8.小結

第一階段實現了opensbi的啟動流程，同時通過系統調用訪問串口輸出。已經實現了S-Mode下訪問M-Mode的初步計劃，并且通過串口進行基本的輸出過程。隨著工程的不斷增加，后續會增加makefile工程組織，riscv下的中斷處理、以及定時器中斷的實現，下篇文章主要介紹這些。