OpenRics-14-or1200第一个裸机程序

Dear 丶 2022-01-21 00:21 182阅读 0赞

经过前面千辛万苦、爬山涉水、纠结了好久才弄好的环境，现在我们终于可以把FPGA当成个单片机使了，稍微比单片机猛一点，但是绝对比单片机贵一个数量级，FPGA现在能完成由CPU做的事，我们就把它当成一个大价钱买回来的单片机，不过相比于S3C24XX的片子来说，那么贵的一个FPGA板卡跑40M的一个CPU绝对的奢侈，不过仅限于理解和学习嵌入式的过程，管他的。

但是如果是这样呢，把or1200资源优化好，例化两个或者多个CPU，是不是可以做成SMP架构？又或者说现有的产品上有FPGA芯片，但是里面的资源还足以容得下一个or1200，是不是可以做个协处理器在里面？我想应该可以做的事情还很多的······吧。

按照惯例，硬件代码第一个无非是点亮LED灯；软件代码无非是写个hello world，有同感木有。

但是想想，我们现在的SOC只有什么？CPU、RAM、Debug、UART、BUS，我们没有把GPIO外设加进去，点个灯貌似行不通了，但是能操作的毕竟外设蛮多的，但是又想看到有现象输出的，那我们只好选择去写个UART的代码咯。

我们在后面完善or1200\_basic\_soc时把其他外设添加进去后，上了linux系统后，在编写GPIO字符驱动时再去把灯点亮吧，现在我们就当FPGA是个单片机去编写所谓的“裸机”程序。

我们现在手头上有两本书对吧，《开源软核处理器OPENRISC的SOPC设计》、《CPU源代码分析与芯片设计及Linux移植》，那我们就先看看接下来要写的UART16550外设的说明文档先咯，uart16550\_latest.tar.gz源码包里的doc文件夹有该ipcore的说明文档，其实这就是相当于看芯片手册一样了，是不是很熟悉，那就不继续吐槽了，或者《开源软核处理器OPENRISC的SOPC设计》里面第7章也有UART16550的中文翻译版本，感觉这本书就是opencores上面大堆文档的翻译大杂烩，算了，自己写不出的书还是不吐槽人家的了。

大概浏览一下UART16550的结构后我们就来咯，敲代码。

在敲代码之前先搞清楚一些流程，当内嵌在FPGA的or1200上电复位时，它在做些什么，在硬件环境搭建时，我们把CPU的复位地址设置为0x100，这个地址可以在or1200\_defines.v中任意指定的，什么是0x100呢，我们在CPU体系手册《openrisc-arch-1.0-rev0.pdf》中16章操作系统接口有所描述，0x100是复位后取指令的第一个地址，虽然是这样说，但是复位地址可以是任意指定的，以后我们固化代码在Flash时，会将这个复位地址设置为Flash的起始地址，目前我们先指定在0x100，所以，CPU复位时就会从0x100取出第一条执行的指令，OK。

![1361006408_2181.png][]

对于其他向量地址来说，是CPU设计时规定好的异常向量地址，好比0x100是复位异常向量，我们在写C51时熟悉的对比一下看还有什么？0x500是否熟悉？只是时钟中断异常向量。还有什么咧？0x800，外中断异常向量，所以，当我们在CPU将计数器中断enable后，当时钟计满中断时，就会跳转到0x500执行指令。对于外中断而言，前面我们在修改or1200\_defines.v把PIC的中断个数设置为20个，所以，当这20个外中断enable后，中断源触发后，CPU就跳转到0x800地址来执行指令啦，至于其他的异常向量都是类似的，可能以前我们接触得比较少，但在对于上了操作系统后，这每个异常向量都会有对应的处理过程。现在对于or1200\_basic\_soc来说，只使用了复位、时钟、中断异常向量。

所以我们敲代码的第一步就是编写这些异常向量的处理程序，即异常向量表，因为刚上电时处理器的C环境还没有建立好，所以这些代码都是要用汇编去写的，我们现在至少要用到reset复位异常向量，硬着头皮码吧。

我理解的reset复位异常向量是通常说的启动代码，在用Keil MDK创建S3C2440的工程时也有对应的启动代码文件s3c2440.S，看起来蛮多的，1k多行，但是往下看，800多行的宏定义，那启动代码就200多行了。再来吐槽下or1200在linux系统下的关于启动代码的文件entry.S、head.S，这两个文件加起来2k5多行，那我们手动去敲那么多代码么，开玩笑吧。

好在我们现在用到的外设不多，就一个UART，而且我们现在还不需要用到时钟计数，还没需要到中断，所以复位向量用到的代码大概只有50行，50的汇编对于我这种级别        来说简直小菜一碟，好，码字。

至于这个简单的UART代码我都打包好在附件中了，那我们简单分析一下这50多行reset向量需要的代码。

把工程都扔进sourceinsight，方便查看嘛，打开reset.S，对于前面的宏定义先跳过，用到的时候再说吧。

先看0x100的异常向量，3行代码，是不是很有成就感。

![1361006414_5073.png][]

LOAD\_SYMBOL\_2\_GPR看名字就知道意思，作用是将标号的地址存入CPU的寄存器。

![1361006419_4343.png][]

18行l.movhi是or1200处理器的逻辑指令，作用是把立即数零拓展左移16bit

l.movhi rD,K

rD\[31:0\] < -extz(Immediate) < < 16

所以18行将symbol的高16位存入gpr中。

l.or是or1200处理器的逻辑指令按位或，作用不用讲了吧，

l.or rD,rA,rB

rD\[31:0\] < -rA\[31:0\] OR rB\[31:0\]

所以19行将symbol的低16位存入gpr中。

继续reset向量，l.jr r3，即跳转到r3寄存器的地址上，所以reset向量前3行就是跳转到\_reset标号地址上。

貌似55行还有个l.nop指令，只是or1200的空操作指令。跳转指令之后紧接着的指令称为延时槽，在or1200体系中，在跳转指令之后的紧接着的一条指令是规定、必须、肯定会执行的，所以在现在or1200的gcc编译器中，在跳转指令之后都会自动补上一个nop指令，貌似在新版本的编译器会在跳转指令后执行别的有效指令代替nop操作，提高效率。

好，continue······

Sourceinsight中一跳，转到\_reset标号上

![1361006425_9792.png][]

l.movhi，l.ori很熟悉啊，目的将r0寄存器清零。

l.addi作用是将r0和SPR\_SR\_SM相加后存入r3中，至于SPR\_SR\_SM又是什么？跟踪下就可以发现在spr-defs.h有其定义。

![1361006431_3800.png][]

这是supervisor模式，这个linux的内核态和用户态概念很像，or1200存在两种模式，supervisor和user，区别是操作CPU内部寄存器组时权限不同。

继续，l.mtspr就是操作or1200内特殊寄存器组的专用指令，专用的，将r0和r3的寄存器的值相加后送入SPR\_SR寄存器内

![1361006445_2640.png][]

在《openrisc-arch-1.0-rev0.pdf》中可以看到，SPR\_SR的first bit就是SM位

为1时就是Supervisor Mode

继续往下看，有个CLEAR\_GPR的宏，目的是将gpr设置成r0的值

![1361006450_7352.png][]

在or1200中，r0被设置成常数0，做与这个宏的作用就是清零

好，继续

![1361006454_5359.png][]

SPR\_TTMR是关于or1200内Timer的寄存器，将r0的值赋入SPR\_TTMR中，至于SPR\_TTMR的解释如下表。

![1361006461_4549.png][]

目的就是把执行计数单元（简称定时器吧）的中断和使能都禁用了。

好，继续······貌似完了，200行吧\_stack的值赋给r1，\_stack是CPU堆栈的值，\_stack这个值在lds文件内定义，这个文件稍后再解释。

第203,204行是不是很熟悉，跳转到main函数执行，堆栈建立好之后下面main函数就可以用C来码了。

Reset向量就需要这些代码了，至于reset.S剩下的代码是关于中断处理的，比如在

![1361006486_4303.png][]

在定时器中断和外中断会先执行EXCEPTION\_HANDLER宏，目的是执行中断处理之前的现场保护，跳转至中断服务函数，执行完中断服务函数之后的现场恢复，中断的概念不用多解释了，应该是很熟悉的了。

关于or1200中断的流程可以参考《CPU源代码分析与芯片设计及Linux移植》，里面讲得蛮详细的，虽然大部分也是翻译手册的，至于附件的代码关于reset.S剩余部分不是特别难，就不解释了，不解释咯······

突然发现，reset的异常向量我们就敲完了，在reset向量里会跳转至main函数，那就开始了，main函数熟悉了吧，

附件中的uart.c和uart.h关于UART16550的串口驱动和头文件，程序不难，对比着uart16550\_latest.tar.gz的说明文档、《开源软核处理器OPENRISC的SOPC设计》和源码的注释5分钟就可以看懂了，不详细说了，因为大家都有C语言功底嘛。

至于附件driver和include的其他文件可以先不管，因为现在还用不上，有兴趣可以自行翻阅下，是关于中断二级向量表的实现和timer的驱动，大部分都是参考u-boot下openrisc架构修修改改过来的，所以最好还是稍微浏览下，然后在下次移植u-boot时能快速上手。

Main函数更不用多说了，手痒自己随意打的，随便修改吧，至于里面的函数用sourceinsight追一下就可以了，都是比较简单的东西了。

UART的代码到这里我们就敲完了，最后就是把程序下到我们的SDRAM中运行了，好，在下到SDRAM之前呢，还需要编写一个连接脚本文件，告诉编译器编译出来的可执行程序各个段的存储位置，入口地址，在学校学汇编和计算机原理的时候都应该讲过这些的了，就是编译源码后得到的可执行bin文件的在RAM的存储位置，例如在link.lds文件中

![1361006499_3910.png][]

vectors段，即我们之前编写的异常向量表的存放位置，从0x0开始到0x2000，除or1200结构本身定义的异常向量表之外，还保留空的异常向量允许自定义操作。

ram段就是开始存放我们uart的程序代码啦，继续看······

![1361006546_9542.png][]

这里定义了一个\_min\_stack的变量，大小为8K，记得我们在写reset向量时设置CPU堆栈的值吗？

![1361006556_2414.png][]

在这里\_stack的值在这里取出，这里我说的不是很明白，关于lds连接文件附件中的ARM79出品-u-boot移植手册.pdf的附录一有详细说明，参考参考很容易就明白啦，或者可以google一下，再或者看看别人的技术博客就行了，这里不再详细解释了，因为码字是在是很累人的一件事。

一切OK准备就绪，但是在linux环境下编译我们还要写一个makefile，哇天啊，好吧，认栽吧，写吧。

······

现在可以打开virtualbox，先浏览一下放在桌面的那些文件，比如

![1361006561_3664.png][]

可大概看看这个环境可以做些什么东西。

然后打开home folder，点啊点，点啊点

![1361006568_6348.png][]

在orpmon文件夹中包含一个opencores社区针对or1200做的bootloader，而且，我在写makefile的时候都是参考这个bootloader的makefile写的，至于怎么去写一个makefile，参考《跟我一起写 Makefile.pdf》和《GNU+makefile中文手册.pdf》这两个手册咯。

废话不多说了，继续······

在我们的源码目录下是不是还有一个这样的文件？

![1361006573_1320.png][]

在virtualbox的镜像中，包含了一个or1ksim的程序，这个程序是对or1200体系架构的软件模拟，就好像arm架构类似的也有一个在软件上模拟芯片行为的程序，具体叫什么我不记得了，呵呵。

也就是说，我们写的程序可以在这个or1ksim进行模拟，而or1ksim.cfg就是对or1ksim的配置文件，关于配置文件这里先不讲了，因为码字实在是很辛苦啊。感兴趣可以自行打开了修修改改的，对于上面我们写的程序来说，这个配置文件or1ksim.cfg我都改好了，直接用就行了。

老规矩，把windows下的共享文件夹mount上去

![1361006579_5237.png][]

然后，切换到我们的源码目录下，cd啊cd

![1361006588_5089.png][]

再然后，make吧

![1361006599_2377.png][]

信息太多了，这里我贴不完了，编译生成boot.or32就是可执行文件了

再然后，验证下我们写的代码是不是可以执行的，在or1ksim上验证吧，输入sim -for1ksim.cfg boot.or32，然后回车

![1361006604_2355.png][]

然后可以看到一堆信息出来了。

其中包含我们在lds文件中定义的段信息

![1361006610_1576.png][]

然后在弹出的xterm窗口，这个窗口就是模拟UART16550的串口输出的，并且在命令行中都可以看到我们的main函数执行的结果了。

![1361006615_5633.png][]

但是这样验证还不是我们想要的结果咧，我们是要下载到我们之前做得SOC上才算成功的咧，好，现在至少已经说明我们的程序编码至少是可以运行的了，接下来就是下载到板子上来验证。

好，QuartusII软件打开，FPGA板子连接好，下载器连接好，把之前综合出来的or1200\_basic\_soc.sof文件download到板子上。

![1361006622_4892.png][]

然后在virtualbox的右下角中把下载器连接到虚拟机上去。

![1361006643_4748.png][]

接下来我们休息一下吧，上上网，去找找手头上FPGA芯片的BSD描述文件吧，顺便刷刷微博，看看新浪NBA什么的。好，我现在板子上的芯片是altera的EP2C20F484，要找的芯片的BSD文件就是EP2C20F484.BSD，google之，大喜，收之。

好，我们来继续，把BSD文件扔到home目录下，怎么扔，自己想办法吧，BSD文件一定要对应自己板子芯片啊

![1361006648_5018.png][]

继续，打开一个terminal，之前在软件搭建已经把adv\_debug\_sys\_latest.tar.gz包make install了，所以在terminal输入adv\_jtag\_bridge-h看到adv\_jtag\_bridge的帮助信息，

![1361006656_3746.png][]

上面列出的就是现在adv\_jtag\_bridge支持的下载器，我使用的是usbblaster下载器，但是貌似经常提示找不到下载器，所以前面在搭建软件环境时把libusb-1.0.9.rar、libusb-compat-0.1.4.rar都make install上，可以用ft245驱动代替usbblaster，下载器还是那个下载器，至于用xilinx或者actel的朋友自行去看看adv\_debug\_sys\_latest.tar.gz的帮助文档选择对应的下载器选项。

好，继续，将下载器连上虚拟机后，adv\_debug\_sys\_latest.tar.gz安装好后，soc下载到FPGA板子后，BSD文件放到HOME目录下后，再继续在命令行输入sudoadv\_jtag\_bridge -b ~/ ft245，提示输入密码时，输入openrisc，adv\_jtag\_bridge就会连接上下载器

![1361006662_9703.png][]

这说明顺利通过下载器连接上or1200的调试接口了，我们可以通过这个JTAG来下载程序了

再打开一个terminal，cd进源码的目录，在源码目录下输入or32-linux-gdb

![1361006668_7481.png][]

然后输入file boot.or32，读取boot.or32文件信息

![1361006672_2430.png][]

继续输入target remote:9999

![1361006682_1851.png][]

这时说明已经通过gdb服务远程登录到开发板上面了。

继续输入load，将可执行程序文件boot.or32下载到开发板的SDRAM上

![1361006689_2452.png][]

同样这里也出现我们在lds文件中描述的段信息

好，继续，之前我们讲过reset向量是从0x100地址执行的，所以要把CPU的NPC寄存器设置为0x100，这样CPU才会从0x100开始取出第一条指令执行。所以，输入set $pc=0x100

![1361006695_3095.png][]

好，到这里设置完毕啦，在现在可以打开自己熟悉的串口工具了，minicom、c-kermit、putty、ScureCRT，我用在是ScureCRT，windows版本的，打开设置好波特率，在写源码board.h中关于串口的定义是

![1361006700_6900.png][]

波特率为38400，也可以修改成自己想用的波特率，由于我的板子的速度问题，38400是比较适中的，因为在后面板子上了linux后，lrz和lsz在38400的波特率可以和虚拟机无错误传输。

ScureCRT中设置好波特率，打开，然后回到虚拟机的terminal中，输入c

![1361006704_4797.png][]

然后准备切换到ScureCRT中，好紧张，有没有信息呢，来了。

![1361006712_2748.png][]

哎呀，有了，妥妥的，好了，第一个程序就到此为止了。

接下去我们做些什么好呢，对了，还有关于or1200的定时器timer和中断的程序没写呢，这些留给朋友们去练习了，对于练习，可以到opencores社区上把

minsoc\_latest.tar.gz

or1k\_soc\_on\_altera\_embedded\_dev\_kit\_latest.tar

orpsoc-master.tar.gz

这三个工程下载下来，这三个工程都是关于or1200的SOC的参考设计，里面也有相应的参考程序，有时间我会把这三个工程都上传，至于“裸机程序”的练习也可以加深对or1200的理解。

同样，在虚拟机home目录下的soc-design中有orpsoc-v2的参考设计，里面包含一大堆的“裸机程序”源码，我在学习时也是通过这个工程的。

下次我们来完善我们的or1200\_basic\_soc，完善之后我们在此基础上移植u-boot，移植u-boot我们再在上面移植linux系统。

[1361006408_2181.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006408_2181.png
[1361006414_5073.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006414_5073.png
[1361006419_4343.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006419_4343.png
[1361006425_9792.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006425_9792.png
[1361006431_3800.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006431_3800.png
[1361006445_2640.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006445_2640.png
[1361006450_7352.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006450_7352.png
[1361006454_5359.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006454_5359.png
[1361006461_4549.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006461_4549.png
[1361006486_4303.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006486_4303.png
[1361006499_3910.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006499_3910.png
[1361006546_9542.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006546_9542.png
[1361006556_2414.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006556_2414.png
[1361006561_3664.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006561_3664.png
[1361006568_6348.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006568_6348.png
[1361006573_1320.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006573_1320.png
[1361006579_5237.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006579_5237.png
[1361006588_5089.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006588_5089.png
[1361006599_2377.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006599_2377.png
[1361006604_2355.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006604_2355.png
[1361006610_1576.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006610_1576.png
[1361006615_5633.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006615_5633.png
[1361006622_4892.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006622_4892.png
[1361006643_4748.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006643_4748.png
[1361006648_5018.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006648_5018.png
[1361006656_3746.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006656_3746.png
[1361006662_9703.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006662_9703.png
[1361006668_7481.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006668_7481.png
[1361006672_2430.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006672_2430.png
[1361006682_1851.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006682_1851.png
[1361006689_2452.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006689_2452.png
[1361006695_3095.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006695_3095.png
[1361006700_6900.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006700_6900.png
[1361006704_4797.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006704_4797.png
[1361006712_2748.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201302/16/1361006712_2748.png