RISC-V处理器设计（五）—— 在 RISC-V 处理器上运行 C 程序

一、前言

二、从 C 程序到机器指令

三、实验

3.1 实验环境

3.11 Windows 平台下环境搭建

3.12 Ubuntu 平台下环境搭建

3.13 实验涉及到的代码或目录

3.2 各文件作用介绍

3.2.1 link.lds

3.2.2 start.S

3.2.3 lib 和 include 目录

3.2.4 common.mk

3.2.5 demo 目录

3.3 上板测试

第一种：直接作为 FPGA 比特流的一部分下载到板子上。

第二种：使用串口烧录程序。

四、写在最后

一、前言

前面我们使用 verilog 完成了一个 risc-v cpu 的设计，但 cpu 最终也是为了程序服务的，不能执行程序的 cpu 没有任何意义。所以这一节我们要研究如何在自己设计的 cpu 上运行 C 程序。项目仓库如下：

risc-v-cpu: 一个基于 RISC-V 指令集的 CPU 实现（成功移植到野火征途 PRO 开发板），以及从零开始写一个基于 RISC-V 的 RT-Thread~ - Gitee.com

本节涉及到的代码都在仓库的 rt-thread 目录下。

二、从 C 程序到机器指令

当然，cpu 肯定不能直接执行 C 程序，cpu 只能识别机器语言，机器语言就是由 0 和 1 组成的一条二进制序列，比如 ADD 指令有如下格式：

在确定 rs1、rs2、rd 三个寄存器后，就能确定 ADD 指令的二进制序列，cpu 能够识别并执行这个二进制序列。 risc-v 指令集相关内容可以看我的这篇文章：
RISC-V处理器的设计与实现（一）—— 基本指令集_risc_v-CSDN博客

那么我们如何从 C 程序得到我们想要的机器指令呢？答案就是使用编译器，编译分为如下四个阶段（程序从编译到运行-CSDN博客）：

即预处理阶段、生成汇编代码阶段、汇编阶段、链接阶段，你可能会问为什么图里面的编译器只参与了一个阶段的工作，这是因为现在的编译工具功能非常强大，比如 linux 下的 gcc，我们只需要一行指令就能帮我们完成四个阶段的操作：

gcc hello.c

最终生成的 a.out 即为操作系统（如 Linux、Ubuntu）上的可执行程序，此时的 a.out 虽然能在像 Linux 这种操作系统上运行，但是 cpu 并不能直接识别并运行，编译生成的 a.out 大多是 ELF 格式。

ELF 格式的可执行文件包含了很多 cpu 不能识别的信息，但像 Linux 这样的操作系统可以识别这些信息，比如判断该可执行文件可以在哪种架构上运行，该可执行文件的各个段的位置在哪等等。关于 ELF 文件的解析可以看如下博客：

ELF文件详解—初步认识-CSDN博客

为了得到 cpu 能直接识别的内容，我们可以通过 objcopy 指令将生成的 a.out 转变为去掉了这些无用信息的 hello.bin 文件，具体怎么操作可以看我的这篇博客：

开发一个RISC-V上的操作系统（一）—— 环境搭建_riscv操作系统开发_Patarw_Li的博客-CSDN博客

同时，如果要编译出我们 risc-v 架构的 cpu 能识别的机器指令，我们还需要选择对应的交叉编译器，如 Ubuntu 20.04 下可以使用官方提供的 riscv64-unknown-elf-gcc。如果你使用的是 x86 下的gcc，那么编译出来的机器指令则只能由 x86 架构的 cpu 识别。

三、实验

实验的目录在本仓库的 rt-thread 目录下，该目录下新增了一个 demo 目录，可供用户自己设计 C 程序到本 cpu 上运行。其他的 experiment 目录都是和 rt-thread 移植相关的，后续也会更新相应的文章。

3.1 实验环境

下面是两种平台下的编译环境搭建，大家可以根据自己的情况自行选择。

3.11 Windows 平台下环境搭建

GNU 工具链（链接：https://pan.baidu.com/s/1Bdmn-FH0T7ekm2kMxkzJTw?pwd=qn69 提取码：qn69），百度云下载解压后，将 bin 目录添加到环境变量里即可。
make 工具（链接：https://pan.baidu.com/s/1X-F1BVPMa3-B-V1EHB4tEQ?pwd=418d 提取码：418d），百度云下载解压后，将 bin 目录添加到环境变量里即可。
Python 3.7

3.12 Ubuntu 平台下环境搭建

Ubuntu 版本：

$ lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID:	Ubuntu
Description:	Ubuntu 20.04.2 LTS
Release:	20.04
Codename:	focal
 
$ uname -r
5.15.0-76-generic

安装Ubuntu 20.04官方提供的 GNU工具链：

sudo apt update
sudo apt install build-essential gcc make perl dkms git gcc-riscv64-unknown-elf

并且要将 Makefile 里面的 include ../common.mk 修改为 include ../common_ubuntu.mk。

3.13 实验涉及到的代码或目录

include：公共头文件目录；
lib：公共函数目录；
start.S：启动文件；
link.lds：链接脚本；
common.mk：Makefile 的公共部分（Windows 平台下）；
common_ubuntu.mk：Makefile 的公共部分（Ubuntu 平台下）；
demo：用户可以在本目录下编写能在本 CPU 上运行的 C 程序；

3.2 各文件作用介绍

3.2.1 link.lds

link.lds 被称为链接脚本，是编译器链接步骤的重要部分。官方文档

链接操作都是由链接脚本（Linker Script）所控制的，按照官方的话来说，链接脚本用来描述 input file（比如 hello.c 和 printf.c，编译器会将他们分别编译成 hello.o 和 printf.o，这两个文件就是链接操作的输入）中的每个 section 应该如何被映射到 output file（最终生成的可执行文件）中，并且控制 output file 中的内存布局。

我们可以自己编写链接脚本，也可以使用默认的链接脚本，如果要使用自己编写的链接脚本，则需要在编译时使用 -T 参数来指定。

关于链接脚本的语法大家可以自行查阅资料，这里我只介绍对于本次实验比较重要的部分：

1. ENTRY 来确定程序的入口为 _start，该符号在 start.S 中声明：

ENTRY(_start)

2. MEMORY 部分，这部分是根据 soc 上的 flash 和 ram 在总线上的起始地址以及所支持的空间大小来配置的。比如本 cpu 的 rom 起始地址为 0x00000000，大小为 16KB：

MEMORY
{
  flash (rxai!w) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 16K
  ram   (wxa!ri) : ORIGIN = 0x10000000, LENGTH = 8K
}

3. 定义程序栈大小，如果其他地方没有 __stack_size 的定义就把栈大小定义为 2KB：

 __stack_size = DEFINED(__stack_size) ? __stack_size : 2K;

4. 有些段是可读可写的，比如 .data 段，这些段是不能放到 flash 上的（flash 只读），所以我们在链接脚本中会把 .data 段指定到 ram 上存储（使用 >ram）：

 .lalign         :
  {
    . = ALIGN(4);
    PROVIDE( _data_lma = . );
  } >flash AT>flash 

  .dalign         :
  {
    . = ALIGN(4);
    PROVIDE( _data = . );
  } >ram AT>flash 

  .data          :
  {
    *(.rdata)

    *(.gnu.linkonce.r.*)
    *(.data .data.*)
    *(.gnu.linkonce.d.*)
    . = ALIGN(8);
    PROVIDE( __global_pointer$ = . + 0x800);
    *(.sdata .sdata.*)
    *(.gnu.linkonce.s.*)
    . = ALIGN(8);
    *(.srodata.cst16)
    *(.srodata.cst8)
    *(.srodata.cst4)
    *(.srodata.cst2)
    *(.srodata .srodata.*)
  } >ram AT>flash 

  . = ALIGN(4);
  PROVIDE( _edata = . );
  PROVIDE( edata = . );

但这样会导致生成的二进制文件中间产生很大的空洞，因为 flash 和 ram 的地址一般是不同的，所以我们需要使用 AT>（关于 AT> 的作用可以看这篇博客https://www.cnblogs.com/LogicBai/p/16982841.html），这样可以把 .data 段先放到 flash 中，然后在启动文件 start.S 中通过 _data_lma、_data、_edata（分别对应 .data 段在 flash 中的实际地址、在 ram 上的逻辑起始地址、在 ram 上的逻辑末尾地址）这三个地址来把 .data 段从 flash 上搬运到 ram 上，这样就可以将数据存储的位置和运行的位置区分开来。

5. 因为 .bss 段的数据都为 0，所以无需占用存储空间，只需要保存 .bss 段的运行时的逻辑起始地址和末地址（__bss_start 和 _end），然后在启动时使用 start.S 将起始地址到末地址中间的内容初始化为 0 即可：

  PROVIDE( __bss_start = . );
  .bss            :
  {
    *(.sbss*)
    *(.gnu.linkonce.sb.*)
    *(.bss .bss.*)
    *(.gnu.linkonce.b.*)
    *(COMMON)
    . = ALIGN(4);
  } >ram AT>ram 

  . = ALIGN(8);
  PROVIDE( _end = . );

3.2.2 start.S

启动文件 start.S 作为 cpu 上电复位后第一个执行的程序，主要完成以下工作：

初始化 gp (global pointer) 全局指针寄存器、sp (stack pointer) 栈指针寄存器；
将 .data 段的数据从 flash 中加载至 RAM 中；
清空 bss 段数据；
进入 main 函数运行；

start.S 的代码如下：

.section .init;
.globl _start;
.type _start, @function

_start:
.option push
.option norelax
    la gp, __global_pointer$
.option pop
    la sp, _sp

    /* 把 data section 从 flash 搬运到 ram 中 */
    la a0, _data_lma
    la a1, _data
    la a2, _edata
    bgeu a1, a2, 2f
1:
    lw t0, (a0)      /* 从 flash 中取出一个 word 的数据 */
    sw t0, (a1)      /* 将取出的数据存入 ram 中对应位置 */
    addi a0, a0, 4
    addi a1, a1, 4
    bltu a1, a2, 1b
2:
    /* 将 bss section 初始化为 0 */
    la a0, __bss_start
    la a1, _end
    bgeu a0, a1, 2f
1:
    sw zero, (a0)
    addi a0, a0, 4
    bltu a0, a1, 1b
2:

    /* 调用初始化函数 */
    call _init
    /* 跳转到 main */
    call main

/* never came here */
loop:
    j loop

第 8 行，加载全局指针寄存器 gp。

第 10 行，加载栈指针寄存器 sp。

第 13 ~ 22 行，把 .data 段从 flash 搬运到 ram 中。

第 25 ~ 31 行，将 .bss 段初始化为 0。

第 35 行，调用初始化函数，定义在 init.c 中。

第 37 行，调用 main 函数，执行用户编写的程序。

第 40、41 行，为了防止执行用户程序后，cpu 跑飞的情况，最后写了一个死循环。

3.2.3 lib 和 include 目录

这两个目录主要提供一些公共的函数，比如串口、printf 函数等，用户可以在 main.c 文件里面包含头文件后使用里面定义的函数。

3.2.4 common.mk

该文件为 Makefile 编译脚本的公共部分，所有 Makefile 文件（比如 demo 里面的 Makefile）都会包含 common.mk。

common.mk 的内容如下：

CROSS_COMPILE = riscv-none-embed-

RISCV_GCC     := $(CROSS_COMPILE)gcc
RISCV_AS      := $(CROSS_COMPILE)as
RISCV_GXX     := $(CROSS_COMPILE)g++
RISCV_OBJDUMP := $(CROSS_COMPILE)objdump
RISCV_GDB     := $(CROSS_COMPILE)gdb
RISCV_AR      := $(CROSS_COMPILE)ar
RISCV_OBJCOPY := $(CROSS_COMPILE)objcopy
RISCV_READELF := $(CROSS_COMPILE)readelf

.PHONY: all
all: $(TARGET)

ASM_SRCS += $(COMMON_DIR)/start.S

C_SRCS += $(COMMON_DIR)/init.c 
C_SRCS += $(COMMON_DIR)/lib/uart.c 
C_SRCS += $(COMMON_DIR)/lib/printf.c
C_SRCS += $(COMMON_DIR)/lib/hw_timer.c


LINKER_SCRIPT := $(COMMON_DIR)/link.lds

INCLUDES += -I$(COMMON_DIR)

LDFLAGS += -T $(LINKER_SCRIPT) -nostartfiles -Wl,--gc-sections -Wl,--check-sections

ASM_OBJS := $(ASM_SRCS:.S=.o)
C_OBJS := $(C_SRCS:.c=.o)
LINK_OBJS += $(ASM_OBJS) $(C_OBJS)
LINK_DEPS += $(LINKER_SCRIPT)

CLEAN_OBJS += $(TARGET) $(LINK_OBJS) $(TARGET).dump $(TARGET).bin ../$(TARGET).inst

CFLAGS += -march=$(RISCV_ARCH)
CFLAGS += -mabi=$(RISCV_ABI)
CFLAGS += -mcmodel=$(RISCV_MCMODEL) -nostdlib -ffunction-sections -fdata-sections -fno-builtin-printf -fno-builtin-malloc -Wall

$(TARGET): $(LINK_OBJS) $(LINK_DEPS) Makefile
	$(RISCV_GCC) $(CFLAGS) $(INCLUDES) $(LINK_OBJS) -o $@ $(LDFLAGS)
	$(RISCV_OBJCOPY) -O binary $@ $@.bin
	$(RISCV_OBJDUMP) --disassemble-all $@ > $@.dump
	python ../../tools/bin_to_mem.py $@.bin ../$@.inst

$(ASM_OBJS): %.o: %.S
	$(RISCV_GCC) $(CFLAGS) $(INCLUDES) -c -o $@ $<

$(C_OBJS): %.o: %.c
	$(RISCV_GCC) $(CFLAGS) $(INCLUDES) -c -o $@ $<

.PHONY: clean
clean:
	rm -f $(CLEAN_OBJS)

第 1 ~ 10 行，配置工具链。

第 15 ~ 20 行，指定需要编译的公共汇编文件和 C 文件。

第 23 行，配置链接脚本的路径。

第 25 行，指定公共头文件目录。

第 27 行，指定链接参数

-nostartfiles：指定链接时不要使用标准的系统启动文件，自定义入口函数（_start）时必须使用 -nostartfiles 选项进行链接。
-Wl,--gc-sections：在链接生成最终可执行文件时，如果带有-Wl,--gc-sections参数，并且之前编译目标文件时带有-ffunction-sections、-fdata-sections参数，则链接器ld不会链接未使用的函数，从而减小可执行文件大小。
--check-sections：检查段地址是否重叠 (默认)。

3.2.5 demo 目录

此目录下包含了 main.c 文件和 Makefile，在此目录下执行 make 命令即可生成 demo.bin 和 demo.inst 文件，下面上板测试会用到这两个文件。

main.c 文件的内容是一个简单的加法，然后输出加法的结果，用户可以改成自己的 C 程序：

/* 头文件声明 */
#include "../include/printf.h"
#include "../include/uart.h"

/* main 函数 */
int main(void)
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = a + b;
    printf("The result of c: %d\n", c);

    /* stop here */
    while(1){};
}

3.3 上板测试

有两种将编译好的二进制程序在本 CPU 上执行的方法。

第一种：直接作为 FPGA 比特流的一部分下载到板子上。

将 FPGA/rtl/perips/rom.v 文件里面的如下部分的注释打开，并且将路径改为生成的指令文件 demo.inst 的路径：

重新编译后，直接烧录到板子上即可：

使用串口工具连接板子，配置好串口号和波特率并打开串口后，按下板子上的复位键即可看到输出：

第二种：使用串口烧录程序。

将 demo.bin 二进制文件复制到 serial_utils/binary 目录下，然后进入 serial_utils 目录，先按住 key1 不动：

然后使用命令行执行如下命令烧录 demo.bin 文件，烧录完成即可松开 key1：

# 这里的 COM 号要根据你自己的来选，我这里是 COM3
python .\serial_send.py COM3 .\binary\demo.bin

使用串口工具连接板子，配置好串口号和波特率并打开串口后，按下板子上的复位键即可看到输出：

两种方法相比，第一种方法更为稳妥，第二种方法更为灵活，这里更建议大家使用第一种方法，在程序出问题的时候，第一种方法还可以使用 modelsim 仿真调试。

第二种方法目前还不太稳定，如果遇到第二种方法烧录失败可以多烧录几次（可能因为接触不良），或者尝试一下第一种方法。

四、写在最后

至此，如何在本项目的 CPU 上运行 C 程序已经介绍完了，既然能运行 C 程序，那么运行一个实时操作系统应该也是没问题的，这也对应了本项目的 rt-thread 实验，大家感兴趣的话可以继续学习本仓库，后续也会出相应的文章！

如果遇到问题也欢迎加群 892873718 交流~