RISC-V from Scratch 3

RISC-V from scratch 3: 写 UART 驱动

今天为大家继续翻译 RISC-V from scratch 系列博客，接着上一部分内容，我们本此的目标是实现 UART 协议的驱动程序，继续完善 RISC-V 的内核。本文译自 RISC-V from scratch 3: Writing a UART driver in nasm (1 / 3) 。

由于我发现该系列的原作者貌似没有把这一系列完成就咕咕了，因此从本文开始，我将加上一些自己实践的内容，以及一些自己的想法，同大家探讨，算是狗尾续貂，弥补遗憾。

简介

欢迎再次来到 RISC-V from scratch ，先快速回顾一下我们之前做过的内容，我们之前已经探索了很多与 RISC-V 及其生态相关的底层概念（例如编译、链接、原语运行时、汇编等）。具体来说，在上一篇文章中，我们使用 dtc 工具检查了 virt QEMU 虚拟机中的硬件布局，确定了 RAM 在该计算机中的存放地址，如果你观察仔细的话，会发现 virt 还有很多有趣的地方，其中一个是 UART。

为了进一步学习 RISC-V 汇编的知识，我们将在接下来的三篇文章中为该 UART 编写驱动程序，深入探索 ABI，函数以及其中的底层堆栈操作等重要概念。

译注：由于原作者说的三篇文章中的最后一篇还未完成，而译者认为使用 RISC-V 汇编写 UART 驱动程序是吃力不讨好的行为，因此，译者使用 C 语言完成了驱动的编写，以后的内容也会介绍。

搭建环境

如果你还未看本系列博客的第一部分，没有安装 riscv-qemu 和 RISC-V 工具链，那么赶紧点击上面标题的链接，跳转到 “QEMU and RISC-V toolchain setup” 。

之后，再将博主创建的 github 库下载下来，作为我们的工作点。

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git clone git@github.com:twilco/riscv-from-scratch.git
# or `git clone https://github.com/twilco/riscv-from-scratch.git` to clone
# via HTTPS rather than SSH
# alternatively, if you are a GitHub user, you can fork this repo.
# https://help.github.com/en/articles/fork-a-repo
cd riscv-from-scratch/work

译注：亲测无需下载 github 库也可实现下面的实验。

什么是 UART

UART 是 “Universal Asynchronous Receiver-Transmitter” 的缩写，它是用于传输、接收系列数据的硬件设备。串行数据传输是逐位顺序发送数据的过程。 相反，并行数据传输是一次发送多个位的过程。 关于串行并行通信，此图很好地说明了差异：

{:.align-center}

UART 从不指定数据接收或发送的速率（也称为时钟速率或时钟信号），这是它们异步而不是同步的原因。正因为异步的要求，UART 使用开始和停止位来将数据截断为帧，开始位和停止位会告诉 UART 何时开始和停止读取数据。

你可能听说过 USARTs (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver-Transmitter) ，该设备既可以同步也可以异步工作，当同步工作时，USART 会放弃使用开始位和停止位，而是在单独的线路上发送时钟信号，实现发送与接受的同步。

事实上，UART和USART随处可见。 它们内置于几乎所有现代微控制器（包括我们的虚拟机）中。 这些设备工作在交通信号灯、冰箱以及绕地球轨道运行了多年的卫星上。

硬件布局回顾

在我们正式开始写驱动前，我们需要一些额外的信息来解决一些问题。我们如何配置虚拟机的 UART ？ 我们可以在哪个内存地址找到接收和发送缓冲区？

接下来，我们使用 dtc 工具，回顾一下 uart 的 devicetree 节点的一些信息。

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# Install 'dtc' if you don't already have it.
# I use 'brew' for MacOS - you may need to do something else.
brew install dtc
# Use qemu to dump info about the 'virt' machine in dtb (device tree blob) 
# format.
# The data in this file represents hardware components of a given 
# machine / device / board.
qemu-system-riscv64 -machine virt -machine dumpdtb=riscv64-virt.dtb
# Convert our .dtb into a human-readable .dts (device tree source) file.
dtc -I dtb -O dts -o riscv64-virt.dts riscv64-virt.dtb
# Search for 'uart' and display 2 lines before and 6 lines after each match.
grep uart riscv64-virt.dts -B 2 -A 6
        chosen {
                bootargs = [00];
                stdout-path = "/uart@10000000";
        };
--
        };

        uart@10000000 {
                interrupts = <0x0a>;
                interrupt-parent = <0x02>;
                clock-frequency = <0x384000>;
                reg = <0x00 0x10000000 0x00 0x100>;
                compatible = "ns16550a";
        };

在 grep 输出的最上面，chosen 节点出现了，该节点内容表明，输出信息会通过 UART 设备打印出来。根据此篇文档，chosen 节点不代表任何物理硬件设备，通常用于在固件和运行在裸机上的程序（比如操作系统）之间的数据交换，我们接下来的操作不需要用到该节点，不必理会。

接下来才是我们想要的东西—— uart 节点。根据前面的知识，我们很容易就发现 UART 的内存地址位于 0x10000000 ，还有 interrupts 和 interrupt-parent 属性，表示 UART 是会产生中断的。

可能有读者不太熟悉计算机系统，因此我这里简单介绍一下中断 interrupt，中断是硬件或软件向处理器发出的信号，指示事件需要立即处理执行。例如，在以下情况下，UART 可能会产生中断：

  • 新的数据进入了接收缓存
  • 数据传送机 (transmitter) 完成了缓存中数据的发送
  • UART 遇到了发送错误的情况

这些中断行为充当 hook ，程序员可编写代码适当地响应这些事件，不过接下来的内容我们不会用到中断，因此先忽略到这些内容吧。

再来看一下 clock-frequency = <0x38400> ，参考 devicetree specification ，clock-frequency 代表了时钟的初始频率，其值为十六进制的 0x38400 Hz ，即3.6864 MHz，每秒36.864百万个时钟滴答，这是标准的晶体振荡器频率。

下一个属性就很熟悉了 reg = <0x00 0x10000000 0x00 0x100> ，决定了 UART 的内存位置，以及它的长度，在上一篇文章中，我们知道有两个 32-bit 的值在描述信息。通过给的信息来看，不难得出 UART 的内存位置起始于 0x00 + 0x10000000 = 0x10000000 ，且长度为 0x00 + 0x100 = 0x100 字节。

uart 节点的最后一个属性，compatible =“ ns16550a” ;，它告知我们 UART 与哪种编程模型兼容。 操作系统使用此属性来确定其可用于外围设备的设备驱动程序。网上有很多的实现与 NS16550A 兼容的 UART 所需的资料，这篇是本文所引用的。

驱动程序的基本框架

现在，我们创建新文件，取名 ns16550a.s ，在这里我们开始构建驱动程序的基本框架，首先，我们仅仅先实现一个读写字符的函数，不管那些复杂的中断。

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.global uart_put_char
.global uart_get_char

uart_get_char:
    .cfi_startproc
    .cfi_endproc

uart_put_char:
    .cfi_startproc
    .cfi_endproc

.end

我们从 .global 汇编指令开始，将 uart_put_char 和 uart_get_char 声明为其他文件可访问的符号。以 . 开头的指令都是伪指令，它们只向汇编器提供信息，不是可执行代码。所有基本 GNU 汇编器指令的详细说明都可以在这里找到。

接下来，将会有每个符号的定义，当前仅包含 .cfi 汇编程序指令。这些 .cfi 指令将框架的结构及其展开方法通知工具（例如汇编器或异常展开器）。.cfi_startproc 和 .cfi_endproc 分别表示函数的开始和结束。

尽管我们还没有完全开始写驱动（你肯定能察觉到我们只是搭建了个框架），我们先把他编译一下，看看这个框架是否可用。

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riscv64-unknown-elf-gcc -g -ffreestanding -O0 -Wl,--gc-sections \
    -nostartfiles -nostdlib -nodefaultlibs -Wl,-T,riscv64-virt.ld \
    crt0.s ns16550a.s

如果你很想知道这些编译选项是什么意思，建议参考这里。

然后，我们得到了一个错误：

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/Users/twilco/usys/riscv/riscv64-unknown-elf-gcc-8.2.0-2019.02.0-x86_64-apple-darwin/bin/../lib/gcc/riscv64-unknown-elf/8.2.0/../../../../riscv64-unknown-elf/bin/ld: /var/folders/rg/hbr8vy7d13z9k7pdn0l_n9z51y1g13/T//ccjYQiJc.o: in function `.L0 ':
/Users/twilco/projects/riscv-from-scratch/work/crt0.s:12: undefined reference to `main'
collect2: error: ld returned 1 exit status

不过，放轻松，只是缺少 main 函数而已。这是因为在 crt0.s 文件中，我们曾经用到过 main 函数的地址：

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.section .init, "ax"
.global _start
_start:
    .cfi_startproc
    .cfi_undefined ra
    .option push
    .option norelax
    la gp, __global_pointer$
    .option pop
    la sp, __stack_top
    add s0, sp, zero
    jal zero, main # <~~~~~~~~~~
    .cfi_endproc
    .end

那么，为了简单起见，先创建个文件 main.c ，然后把 main 函数的定义写出来：

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int main() {
    uart_put_char();
}

最后，将这几个文件一起编译，就不会报错了：

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riscv64-unknown-elf-gcc -g -ffreestanding -O0 -Wl,--gc-sections \
    -nostartfiles -nostdlib -nodefaultlibs -Wl,-T,riscv64-virt.ld \
    crt0.s ns16550a.s main.c

除此之外，我们可以使用 nm 工具，查看一下 a.out 文件里面符号定义的情况：

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riscv64-unknown-elf-nm a.out

00000000800010a0 R __BSS_END__
000000008000109c R __DATA_BEGIN__
000000008000109c R __SDATA_BEGIN__
000000008000109c R __bss_start
000000008000189c A __global_pointer$
0000000088000000 T __stack_top
000000008000109c R _edata
00000000800010a0 R _end
0000000080000000 T _start
0000000080000018 T main
0000000080000018 T uart_get_char
0000000080000018 T uart_put_char

设置基础地址

从这篇资料得知，NS16550A UART 有十二个寄存器，访问每个寄存器只需要在基址的基础上加上若干字节的偏移量即可。为了能方便地访问这些寄存器，我们首先需要定义一个代表该基址的符号。 正如我们从 riscv64-virt.dts 中发现的那样，基址位于 0x00 + 0x10000000 = 0x10000000，这就是 reg 属性中的内容：

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uart@10000000 {
    interrupts = <0x0a>;
    interrupt-parent = <0x02>;
    clock-frequency = <0x384000>;
    reg = <0x00 0x10000000 0x00 0x100>;
    compatible = "ns16550a";
};

在 riscv64-virt.ld 文件中，加入这个符号：

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...more above...
SECTIONS
{
  /* Read-only sections, merged into text segment: */
  PROVIDE (__executable_start = SEGMENT_START("text-segment", 0x10000));
  . = SEGMENT_START("text-segment", 0x10000) + SIZEOF_HEADERS;
  PROVIDE(__stack_top = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM));
  /* >>>>>> Our newest addition. <<<<<< */
  PROVIDE(__uart_base_addr = 0x10000000);
  /* >>>>>> End of our addition. <<<<<< */
  .interp         : { *(.interp) }
...more below...

当 __uart_base_addr 定义完成后，我们就可以很轻松地访问 NS16550A 的寄存器了！

接下来

今天，我们了解了 UART 和 USART 、NS16550A 规范，中断以及一些其他 devicetree 属性。 我们还为UART 组装驱动程序创建了基础框架，并已将 __uart_base_addr 编码为链接器文件中的符号，以方便对 UART 寄存器访问。

在下一篇文章中，我们将讨论和实现两个驱动程序函数 uart_get_char 和 uart_put_char 。 函数是在汇编世界中使函数调用成为可能的重要部分。 我们将逐步介绍函数的序幕，并提供详细说明堆栈更改和每条指令寄存器的图表。

我的尝试

OK！原博文翻译到此结束！现在介绍一下我的实验方案：

事实上，在跟着写完 crt0.s 文件，并将他们编译、链接，运行在虚拟机上时，我的思想就与原博主最初的想法不太一样了，原博主只是想要探究一下 RISC-V 的底层技术，但我想要做的却是一个 RISC-V 内核。

原博主的实验步骤中，创建 crt0.s 以及它的前因后果解释非常详细，让我受益良多。但同时我也马上明白，这些步骤只要再稍加调整，就完全可以当作操作系统的启动工作了！那么接下来，我将会继续我自己的实验，敬请期待。

RISC-V
#RISC-V
RISC-V from Scratch 3
https://dingfen.github.io/2020/07/27/2020-7-27-riscv-from-scratch-3/
作者
Bill Ding
发布于
2020年7月27日
更新于
2024年4月9日
许可协议