开发一个RISC-V上的操作系统（一）—

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了开发一个RISC-V上的操作系统（一）—— 环境搭建。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

一、开发环境配置

二、测试

三、Makefile

四、开发前需要了解的知识

在前面我们使用Verilog实现了一个简易的RISC-V处理器，并且能烧录到板子上跑一些简单C程序，传送门：

RISC-V处理器的设计与实现（一）—— 基本指令集_risc_v处理器_Patarw_Li的博客-CSDN博客

RISC-V处理器的设计与实现（二）—— CPU框架设计_Patarw_Li的博客-CSDN博客

RISC-V处理器的设计与实现（三）—— 上板验证_Patarw_Li的博客-CSDN博客

接下来我会开始编写一个riscv上的简易操作系统，然后放到我们做的riscv处理器上运行，参考的资料和视频链接如下：

[完结] 循序渐进，学习开发一个RISC-V上的操作系统 - 汪辰 - 2021春

riscv-operating-system-mooc: 开放课程《循序渐进，学习开发一个 RISC-V 上的操作系统》配套教材代码仓库。mirror to https://github.com/plctlab/riscv-operating-system-mooc

本人自己做的 riscv-cpu 项目仓库（如果觉得对你有帮助请一定一定点个 star！）：

riscv-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）

一、开发环境配置

使用的开发环境如下：

$ 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工具链和 QEMU 模拟器：

sudo apt update
sudo apt install build-essential gcc make perl dkms git gcc-riscv64-unknown-elf gdb-multiarch qemu-system-misc

其中 gcc-riscv64-unknown-elf 就是我们的交叉编译工具，可以把程序编译成riscv上的可执行文件； gdb为debug工具；qemu是一个模拟器，可以模拟出riscv系统。

二、测试

在配置好开发环境后，我们可以用一个程序来测试一下，下面是前面文章用到的led程序，我们会在Ubuntu上把这个C程序利用交叉编译工具链编译成二进制.bin文件，然后通过串口将.bin文件烧录到处理器的memory中：

int main(){
    int n = 5;
    int sum = 0;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        sum = sum + i;
    }
 
    int* gpio_data = (int*) 0x30000004; // gpio_data寄存器的地址
    *gpio_data = sum; // 将gpio_data寄存器的内容改为sum值
    return 0;
}

然后我们需要编译我们的led.c程序：

riscv64-unknown-elf-gcc -c -nostdlib -march=rv32i -mabi=ilp32 led.c -o main.o

-c 选项是编译、汇编到目标代码，但不进行链接。
-nostdlib 告诉编译器不要把标准库编译进去。
-march=rv32i -mabi=ilp32 用于指定指令集架构和 ABI，因为我们只实现了部分整数指令，所以使用rv32i。

编译后，我们可以得到 main.o，它是一个 ELF 文件。我们只需要 .text 部分的机器指令，所以用 objcopy 对它进行处理：

riscv64-unknown-elf-objcopy -O binary -j .text main.o main.bin

-O binary 选项用于输出纯二进制文件。
-j .text 是告诉它只保留 .text 部分。

经过处理，生成的二进制文件只含有机器指令。但此时的程序并不能直接运行。我们用 objdump 进行反编译，看看生成的汇编是怎么样的：

riscv64-unknown-elf-objdump -D -b binary main.bin -mriscv

开发一个RISC-V上的操作系统（一）—— 环境搭建,RISC-V上的操作系统设计,risc-v,linux

可以看到第一行直接将sp（堆栈指针寄存器，stack pointor）减去了32，此时sp寄存器为负值，肯定无法正常执行，所以我们还需要一个初始化文件init.s来帮助我们初始化sp寄存器，内容如下：

li sp, 0x10000000
addi sp, sp, 256

我们处理器的ram地址是从0x10000000开始，利用li sp, 0x10000000指令将sp寄存器内容初始化为0x10000000，然后将栈的大小设置为256（因为这里栈是向下递减的）。

然后将init.s编译成init.o文件：

riscv64-unknown-elf-gcc -c -nostdlib -march=rv32i -mabi=ilp32 init.s -o init.o

然后我们再把init.o和main.o链接起来，生成final.o：

riscv64-unknown-elf-ld -melf32lriscv -o final.o init.o main.o

最后生成二进制文件final.bin：

riscv64-unknown-elf-objcopy -O binary -j .text final.o final.bin

用 objdump 进行反编译，看看生成的汇编是怎么样的：

riscv64-unknown-elf-objdump -D -b binary final.bin -mriscv

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可以看到前面已经变成初始化文件init.s里面的内容了，这样也就不用担心sp为负的问题了。

然后编写串口上位机发送Python程序（串口发送程序已经更新至gitee仓库：cpu_prj: 一个基于RISC-V指令集的CPU实现）：

import serial
 
try:
    ser = serial.Serial("COM3", 19200, timeout=0.5)
    if ser.is_open:
        print("COM3" + " open success!")
        with open('./final.bin', 'rb') as f:
            a = f.read()
        print("sending bin file")
        count = ser.write(a)
        print("send over, the number of byte: ", count)
 
except Exception as e:
    print("---error---: ", e)

# 如果报错ModuleNotFoundError: No module named 'serial'，则执行 pip install pyserial

将编译好的final.bin文件移动到和串口发送程序同目录下，记得修改串口设置为你自己的，我这里用的串口为COM3，波特率为19200。

将移植了riscv处理器的开发板与pc连接，按住key1不动后，然后运行python串口程序，程序发送完毕后松开key1，然后点击板子上的复位按键，即可看到四个led灯全亮：

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知道如何烧录程序到处理器上的话，之后操作系统的开发和验证都会方便很多。

三、Makefile

既然生成二进制文件要这么多步骤，我们可以使用Makefile来帮助我们自动化构建，这样我们就不需要每次修改代码都要执行这么多指令，工程结构如下：

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main.c为用户编写的代码，init.s为上面的初始化文文件，Makefile脚本代码如下：

CROSS_COMPILE = riscv64-unknown-elf-
CFLAGS = -c -nostdlib -march=rv32i -mabi=ilp32

CC = ${CROSS_COMPILE}gcc
LD = ${CROSS_COMPILE}ld
OBJCOPY = ${CROSS_COMPILE}objcopy
OBJDUMP = ${CROSS_COMPILE}objdump

all: final.bin
final.bin: 
        ${CC} ${CFLAGS} -o init.o init.s
        ${CC} ${CFLAGS} -o main.o main.c
        ${LD} -melf32lriscv -o final.o init.o main.o    
        ${OBJCOPY} -O binary  -j .text final.o final.bin
code: all
        @${OBJDUMP} -D -b binary final.bin -mriscv | less

clean:
        rm -fr *.o *.bin

1. 生成二进制.bin文件，执行make即可：