SiFive 經(jīng)典RISC-V FE310微控制器原理與實踐

第1章 RISC-Ⅴ的歷史和機遇 001
1.1 RISC-Ⅴ發(fā)明團隊與歷史 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 006
1.1.3 RISC-Ⅴ發(fā)展史及其標(biāo)志性事件 007
1.2 RISC-Ⅴ基金會成長的歷史 008
1.2.1 RISC-Ⅴ基金會的成員介紹 009
1.2.2 RISC-Ⅴ基金會推動20個重點領(lǐng)域的技術(shù) 011
1.2.3 RISC-Ⅴ基金會標(biāo)準(zhǔn)制定過程及工作群組機制 012
1.2.4 RISC-Ⅴ國際協(xié)會的誕生 013
1.3 RISC-Ⅴ的生態(tài)系統(tǒng) 013
1.3.1 RISC-Ⅴ的開發(fā)板和生態(tài)系統(tǒng) 014
1.3.2 部分RISC-Ⅴ社區(qū)生態(tài)的支持廠商 018
1.3.3 芯片設(shè)計界的RISC-Ⅴ產(chǎn)品進展 021
1.4 SiFive研發(fā)團隊技術(shù)沿革 023
1.4.1 Rocket Chip SoC生成器 024
1.4.2 使用Chisel語言編寫Rocket Chip SoC生成器 025
1.4.3 Rocket標(biāo)量處理器 026
1.4.4 SiFive強力推動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 簡潔性 032
2.2.2 模塊化 032
2.3 指令長度編碼和指令格式 034
2.3.1 指令長度編碼 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機器模式下的中斷架構(gòu) 041
2.8.3 機器模式下中斷和異常的處理過程 042
2.9 調(diào)試規(guī)范 043
2.10 RISC-Ⅴ未來的擴展子集 044
2.10.1 B標(biāo)準(zhǔn)擴展：位操作 044
2.10.2 H特權(quán)架構(gòu)擴展：支持管理程序（Hypervisor） 044
2.10.3 J標(biāo)準(zhǔn)擴展：動態(tài)翻譯語言 044
2.10.4 L標(biāo)準(zhǔn)擴展：十進制浮點 045
2.10.5 N標(biāo)準(zhǔn)擴展：用戶態(tài)中斷 045
2.10.6 P標(biāo)準(zhǔn)擴展：封裝的單指令多數(shù)據(jù)（Packed-SIMD）指令 045
2.10.7 Q標(biāo)準(zhǔn)擴展：四精度浮點 045
2.10.8 V標(biāo)準(zhǔn)擴展：基本矢量擴展 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 啟動程序 081
3.4.1 復(fù)位向量 081
3.4.2 BootLoader 082
3.5 時鐘生成 083
3.5.1 時鐘生成概述 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 備用低頻時鐘（LFALTCLK） 089
3.5.9 時鐘總結(jié) 090
3.6 電源模式 090
3.6.1 運行模式 090
3.6.2 等待模式 090
3.6.3 睡眠模式 091
3.7 平臺級中斷控制器（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 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 看門狗定時器（WDT） 101
3.9.8 實時時鐘（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 看門狗定時器（WDT） 103
3.10.1 看門狗計數(shù)器（wdogcount） 104
3.10.2 看門狗時鐘選擇 104
3.10.3 看門狗配置寄存器（wdogcfg） 104
3.10.4 看門狗比較器0（wdogcmp0） 105
3.10.5 看門狗鍵值寄存器（wdogkey） 105
3.10.6 喂狗寄存器（wdogfeed） 105
3.10.7 看門狗配置 106
3.10.8 看門狗復(fù)位 106
3.10.9 看門狗中斷（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 實時時鐘（RTC） 111
3.12.1 RTC計數(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)動強度 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（UART） 116
3.14.1 UART概述 117
3.14.2 FE310-G003微控制器中的UART實例 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實例 122
3.15.3 SPI內(nèi)存映射 123
3.15.4 串行時鐘除數(shù)寄存器（sckdiv） 124
3.15.5 串行時鐘模式寄存器（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實例 132
3.16.3 PWM內(nèi)存映射 132
3.16.4 PWM計數(shù)器（pwmcount） 133
3.16.5 PWM配置寄存器（pwmcfg） 133
3.16.6 刻度化PWM計數(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 139
3.18.2 復(fù)位JTAG邏輯 139
3.18.3 JTAG計時器 140
3.18.4 JTAG標(biāo)準(zhǔn)說明 140
3.18.5 JTAG調(diào)試命令 140
第4章 使用Freedom E-SDK進行軟件開發(fā) 141
4.1 SiFive Freedom Studio集成開發(fā)環(huán)境安裝與介紹 141
4.1.1 Freedom Studio簡介與安裝 141
4.1.2 啟動Freedom Studio 144
4.1.3 創(chuàng)建sifive-welcome項目 145
4.1.4 配置sifive-welcome項目 146
4.1.5 編譯sifive-welcome項目 148
4.1.6 運行sifive-welcome項目 149
4.1.7 調(diào)試程序 154
4.2 Hello World實例 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)程序存在的問題 164
4.3.4 在SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)上運行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開發(fā)系統(tǒng)上運行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實時多任務(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