移植準(zhǔn)備：

軟件平臺(tái)：MounRiver Studio（ MRS）;

硬件平臺(tái)： CH32V307開發(fā)板；

源碼獲取：https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m

步驟一：在MRS中新建一個(gè)CH32V307的工程，將源碼直接拖到工程中，就添加進(jìn)來(lái)了，然后去添加頭文件路徑即可

源碼中包含比較全面，我們可以選擇不需要的部分將其排除在編譯之外，操作方法為右鍵目錄或文件，點(diǎn)擊Include/Exclude From Build菜單項(xiàng)恢復(fù)編譯，同樣的方法再選一遍即可。

下面說(shuō)些移植操作系統(tǒng)的注意事項(xiàng)：

ARM上移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大家可能比較熟悉，對(duì)于RISC-V內(nèi)核的MCU，可能相對(duì)比較陌生。下面結(jié)合WCH的CH32V103和CH32V307兩款芯片來(lái)詳細(xì)說(shuō)下針對(duì)RISC-V平臺(tái)，移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的注意點(diǎn)。

在移植前，有必要對(duì)RISC-V的一些基本知識(shí)點(diǎn)有一定的了解，這里對(duì)RISC-V的概況，發(fā)展，指令集，特權(quán)模式等不作詳述，僅結(jié)合WCH的RISC-V內(nèi)核的MCU，簡(jiǎn)單介紹我們移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有可能遇到的關(guān)鍵點(diǎn)做一下描述。

這里之所以選取V103和V307兩款芯片，主要其極具代表性：

首先，直觀上其外設(shè)的使用方法和我們之前熟悉的F103，F(xiàn)107等是兼容的，這樣降低了我們使用和移植時(shí)的難度，基于WCH提供的外設(shè)庫(kù)，我們以前上層的代碼甚至于不用修改可直接使用。

其次，V103是WCH RISC-V內(nèi)核家族中的V3內(nèi)核，V307為V4內(nèi)核，V3內(nèi)核支持RV32IMAC指令集，即除支持RISC-V基本的32位整數(shù)指令集外，還支持硬件乘除法，原子指令，壓縮指令。V4在V3的基礎(chǔ)上增加了單精度硬件浮點(diǎn)，并且其性能也比V3高。

除上述之外，雖然兩者的中斷控制器（PFIC）相較于現(xiàn)行的PLIC均不同，均不是統(tǒng)一入口，而是采用中斷向量表尋址的方式，但是V3的中斷向量表處存放是一條指令，而V4的向量表既可以存放指令，也可以存放中斷處理函數(shù)的地址。兩者均支持中斷嵌套和硬件壓棧，區(qū)別在于V3最大嵌套兩級(jí)，V4最大可達(dá)八級(jí)，同時(shí)V3的硬件壓棧深度兩級(jí)，V4的硬件壓棧深度為三級(jí)。這里需要注意的是，移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)需要關(guān)閉硬件壓棧，在切換任務(wù)時(shí)所有寄存器，我們希望是由我們自己控制其壓棧和出棧的內(nèi)容。

RISC-V寄存器如下圖所示，其中x0-x31為整形寄存器，f0-f31為浮點(diǎn)寄存器（V3沒(méi)有浮點(diǎn)寄存器）。所有帶caller的寄存器，當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)需要保存，值得注意的是，WCH的硬件壓棧保存的寄存器僅僅保存整數(shù)的16個(gè)caller saved 寄存器。正常一個(gè)中斷函數(shù)的寄存器保存我們不用關(guān)心，編譯器會(huì)幫我們做的很好。但是當(dāng)我們從一個(gè)匯編入口進(jìn)中斷函數(shù)的時(shí)候這些過(guò)程就不得不由我們自己來(lái)實(shí)現(xiàn)。寄存器中幾個(gè)相對(duì)特殊的x0恒為0，x1是返回地址寄存器ra，函數(shù)調(diào)用時(shí)用來(lái)存放返回地址，x2為堆棧指針sp，x3為gp全局指針，用來(lái)尋址全局變量。對(duì)于一個(gè)正常運(yùn)行的程序，除了x0，gp兩個(gè)初始值固定的外，其余的均會(huì)是不確定的，所有在進(jìn)行上下文保護(hù)時(shí)，均需要保存。用到硬件浮點(diǎn)的時(shí)候，更是要保存32個(gè)浮點(diǎn)寄存器。

除了上述的寄存器，移植還要關(guān)心的是幾個(gè)csr寄存器mstatus，mepc。正常情況下大部分csr只能在機(jī)器模式下操作（WCH的v3和v4內(nèi)核支持機(jī)器模式和用戶模式）。mstatus中，MIE為中斷使能，當(dāng)進(jìn)中斷時(shí)MPIE更新為MIE，返回時(shí)MIE更新為MPIE。MPP用于保存進(jìn)中斷之前的特權(quán)模式，如果我們?cè)O(shè)置其為MPP=0b11，那么將一直處于機(jī)器模式，其mret返回后還是處于機(jī)器模式。mepc是機(jī)器模式下異常程序指針，其只會(huì)在發(fā)生異常是被更新（中斷也是一類異常），進(jìn)異常時(shí)我們可以從另外兩個(gè)csr寄存器mcause來(lái)看引起異常原因通過(guò)mtval查看引起異常時(shí)的值。當(dāng)從異常返回時(shí)mepc的值被更新給pc。我們正是通過(guò)進(jìn)中斷修改mepc來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換的，后面會(huì)詳細(xì)說(shuō)明這個(gè)過(guò)程。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大家應(yīng)該不陌生，常見(jiàn)的uCOS，FreeRTOS，RT-Thread，LiteOS-M等等，其基本的思路都是一樣的，需要一個(gè)定時(shí)器用于系統(tǒng)時(shí)間片的實(shí)現(xiàn)，一個(gè)中斷用于任務(wù)切換。想要其能夠在一個(gè)MCU上成功的跑起來(lái)，需要弄清除一下幾個(gè)事情：

（1）進(jìn)中斷需要保存哪些內(nèi)容。

從之前的描述中，應(yīng)該知道，對(duì)于risc-v內(nèi)核來(lái)說(shuō)其進(jìn)中斷壓棧的是caller saved的寄存器。從下圖一可以看出，進(jìn)Systick中斷函數(shù)，先進(jìn)行寄存器保存，退出中斷時(shí)進(jìn)行寄存器恢復(fù)，如果開啟硬件浮點(diǎn)，同時(shí)還會(huì)對(duì)浮點(diǎn)寄存器進(jìn)行保存和恢復(fù)。這個(gè)過(guò)程是編譯器幫我們實(shí)現(xiàn)，有一點(diǎn)需要注意的是我們移植的代碼里面進(jìn)中斷后獲取了中斷的堆棧“csrrw sp，mscratch，sp”，返回時(shí)恢復(fù)了線程的堆棧指針“csrrw sp，mscratch，sp”中斷堆棧指針初始值是在任務(wù)開始時(shí)存入mscratch寄存器的，如果采用C形式中斷函數(shù)，中斷堆棧的獲取會(huì)在壓棧操作之后，中斷壓入的堆棧是當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的任務(wù)堆棧區(qū)域，如果想要中斷函數(shù)壓棧時(shí)壓入的自己的堆棧區(qū)域，可以使用匯編入口，進(jìn)中斷后先修改sp，然后壓棧，再調(diào)用中斷處理函數(shù)，如圖二所示。

圖1

圖2

（2）任務(wù)棧需要保存哪些內(nèi)容。

前文說(shuō)過(guò)對(duì)于一個(gè)正常運(yùn)行的程序，切換任務(wù)前，除了x0恒0，x3 gp指針外，其余的寄存器均需要保存，每個(gè)RTOS中都會(huì)定義一個(gè)上下文保存相關(guān)的結(jié)構(gòu)體，這里我們以華為鴻蒙LiteOS_M為例，看一下這個(gè)結(jié)構(gòu)體：

圖3在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候均會(huì)為一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)id和堆棧大小并對(duì)這個(gè)堆棧做初始化：

圖4

圖5任務(wù)創(chuàng)建好了后會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè)根據(jù)任務(wù)id關(guān)聯(lián)一個(gè)任務(wù)控制塊taskCB，總的任務(wù)個(gè)數(shù)是在頭文件中配置的（target_config.h）總的任務(wù)塊的初始化也是在LOS_KernelInit被初始化。

圖6從上面可以看出來(lái)，task---》taskCB---》sp指針---》memory這樣的路線，而這片memory開始位置用于上下文保存。

這樣的方式在其他RTOS中也可以看到，例如RT-Thread中用于上下文保存的結(jié)構(gòu)體rt_hw_stack_frame，和taskCB類似的結(jié)構(gòu)體rt_thread等。

圖7

圖8

（3）如何開啟任務(wù)調(diào)度。

前面看了每個(gè)任務(wù)上下文保存位置，注意到堆棧初始化的時(shí)候把任務(wù)的入口地址給了context-》epc。同時(shí)LiteOS_M源碼中定義了一個(gè)LosTask類型的全局變量g_losTask，其內(nèi)部只有兩個(gè)任務(wù)控制塊指針，一個(gè)指向當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)，一個(gè)指向新任務(wù)，即要切換至的任務(wù)。

圖9當(dāng)做好一系列初始化后，LiteOS會(huì)調(diào)用HalStartSchedule來(lái)初始化系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器，并注冊(cè)系統(tǒng)定時(shí)器的中斷處理函數(shù)，然后開始轉(zhuǎn)向執(zhí)行第一個(gè)任務(wù)，如下圖所示：

圖10其中OsSchedStart函數(shù)從任務(wù)列表中獲取第一個(gè)任務(wù)，并賦值給g_losTask里面的runTask和newTask。然后調(diào)用HalStartToRun轉(zhuǎn)向執(zhí)行runTask所指示的任務(wù)。HalStartToRun是一段匯編代碼，下面就具體看其如何切換至runTask，具體如下圖的注釋：

圖11這樣mret之后就轉(zhuǎn)向去執(zhí)行第一個(gè)任務(wù)，并且不會(huì)再有返回，因?yàn)槊總€(gè)任務(wù)本身會(huì)是個(gè)循環(huán)，這里也就能理解其源碼注釋 never return的含義。

圖12其他操作系統(tǒng)中也有類似的操作，例如RT-Thread中有個(gè)rt_hw_context_switch_to函數(shù)，其也是匯編代碼實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)帶參數(shù)的函數(shù)，其傳入的參數(shù)為（&to_thread-》sp），如下圖：

圖13從名字就可以看出，傳遞的參數(shù)為啟動(dòng)執(zhí)行的第一個(gè)線程的控制塊的堆棧指針sp的值，后面賦值mepc，mstatus，其他寄存器等等都是和LiteOS_M一致的。

（4）如何進(jìn)行任務(wù)切換。

了解了如何切換至第一個(gè)任務(wù)，那么如何實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)之間的切換呢，在這之前我們應(yīng)該都有了解，RTOS是根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和時(shí)間片進(jìn)行輪轉(zhuǎn)的，每個(gè)任務(wù)執(zhí)行一段時(shí)間，然后切換至下一個(gè)任務(wù)執(zhí)行。每次切換前我們需要把當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行保存，然后切換至新任務(wù)，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，如此循環(huán)反復(fù)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。時(shí)間片實(shí)現(xiàn)使用的是內(nèi)核的SysTick定時(shí)器，LiteOS_M是在los_timer.c中實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)只需要根據(jù)實(shí)際硬件的進(jìn)行初始化就行。其他操作系統(tǒng)也是類似，像RT-Thread源碼中我們根據(jù)硬件完成board.c。對(duì)于任務(wù)切換，我們利用內(nèi)核的軟中斷，只要使能該中斷，并且當(dāng)需要切換任務(wù)時(shí)，把中斷控制器的對(duì)應(yīng)的pendset位置1，即可觸發(fā)該中斷進(jìn)行任務(wù)切換。下圖是liteOS_M切換過(guò)程：

圖14

圖15

其他操作系統(tǒng)也是大同小異，具體的區(qū)別僅僅是在切換新任務(wù)時(shí)，新任務(wù)如何獲取的問(wèn)題，上圖可以看到LiteOS_M是通過(guò)g_losTask來(lái)管理，RT-Thread中定義了from_thread，to_thread，顧名思義從一個(gè)線程切換至另外一個(gè)線程。

弄清楚以上的問(wèn)題，對(duì)于某一個(gè)RTOS的基本移植來(lái)說(shuō)應(yīng)該就比較明了。

最后移植好的鴻蒙os，RT-Thread等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的代碼均已在MRS上線，可以直接創(chuàng)建，開發(fā)相關(guān)應(yīng)用

原文標(biāo)題：RISC-V MCU開發(fā)實(shí)戰(zhàn) （三）：移植鴻蒙OS項(xiàng)目

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