以下文章來源于嵌入式系統(tǒng)專家之聲，作者林金龍

1 引言

開源架構(gòu)處理器RISC-V，在嵌入式系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用，近年多家處理器廠商發(fā)布了RV32架構(gòu)MCU。2019年4月，SiFive發(fā)布了Freedom E310;2020年2月，兆易創(chuàng)新發(fā)布RV32 MCU GD32VF103；沁恒微電子發(fā)布CH32V、CH32X、CH32L系列RV32MCU；先輯半導(dǎo)體發(fā)布HPM5XXX和HPM6XXX系列RV32單核和多核MCU；瑞薩電子發(fā)布RV32汽車MCU RH850/U2B和通用MCU R9A02G021等。

隨著RISC-V MCU的快速發(fā)展，其軟件生態(tài)正逐步完善和豐富。Embedded Studio 、IAR 等主流商業(yè)IDE以及開源IDE eclipse等嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境支持RISC-V MCU。一些主流操作系統(tǒng)已經(jīng)支持RISC-V架構(gòu)。QEMU RISC-V虛擬化平臺支持多種RISC-V處理器仿真；FreeRTOS發(fā)布支持RISC-V MCU版本；鄒陽等基于QEMU RISC-V實現(xiàn)OpenHarmony移植和優(yōu)化；Nicholas Gordon等將Kitten Lightweight Kernel操作系統(tǒng)移植到RISC-V；Luming Zhang移植并優(yōu)化RISC-V UFEI Boot；Robert Balas等分析RV32IMC結(jié)構(gòu)特點并提出程序方法。

第二屆滴水湖中國RISC-V產(chǎn)業(yè)論壇現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，RISC-V架構(gòu)處理器已經(jīng)成功應(yīng)用于無線連接芯片、工業(yè)控制芯片，網(wǎng)絡(luò)通信芯片和邊緣計算芯片等場景。目前，在移動通信、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，ARM架構(gòu)處理器占市場主導(dǎo)地位。在一些領(lǐng)域和應(yīng)用場景，RISC-V將對ARM的市場地位構(gòu)成挑戰(zhàn)。RV32 MCU正爭奪ARM Cortex-M MCU的市場份額。將Cortex-M MCU應(yīng)用程序移植到RV32 MCU，充分利用Cortex-M MCU的成熟生態(tài)，將有利于RISC-V的發(fā)展和推廣。由于RV32和Cortex-M的結(jié)構(gòu)和編程模式存在差異，盡管使用程序開發(fā)工具能夠?qū)⒃闯绦虻木幾g、匯編和鏈接生成RV32執(zhí)行程序，但在程序移植過程中仍然會遇到一些問題。

本文根據(jù)RV32與Cortex-M在結(jié)構(gòu)、編程模型和過程調(diào)用規(guī)范等方面的不同點，分析應(yīng)用程序從RV32移植到Cortex-M過程中遇到的問題，提出解決方法和建議，并進行相關(guān)性能分析和比較。

本文第一節(jié)簡介RISC-V發(fā)展狀況，討論RV32的應(yīng)用前景；第二節(jié)比較RV32與Cortex-M異常處理器機制，說明移植中斷處理程序面臨的問題；第三節(jié)對比RV32與Cortex-M指令架構(gòu)，分析RV32指令模塊組合對程序性能的影響；第四節(jié)討論RISC-V與ARM處理器程序過程調(diào)用規(guī)范的差別，分析其對程序移植影響；第五節(jié)對論文工作進行總結(jié)。

2 中斷處理

在ARM架構(gòu)處理器手冊和RISC-V架構(gòu)處理器使用手冊中，用編程模式（Programmer's model）表示處理器架構(gòu)中涉及程序開發(fā)的內(nèi)容。編程模式通常包括處理器支持的數(shù)據(jù)類型，通用和特殊功能寄存器、異常和中斷響應(yīng)機制和指令集等，異常和中斷處理處理器基本功能。

通常將由外部信號引起的異常稱為中斷。中斷處理是MCU應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一。中斷處理功能包括兩個部分，中斷響應(yīng)機制和中斷服務(wù)程序（Interrupt Service Routine）。中斷響應(yīng)機制由處理器硬件結(jié)構(gòu)決定，中斷服務(wù)程序則與中斷響應(yīng)機制相關(guān)。

2.1中斷響應(yīng)機制

表1列出了Cortex-M和RV32中斷響應(yīng)機制的差異。將應(yīng)用程序從Cortex-M移植到RV32時，需要修改中斷處理功能相關(guān)程序。

表1 RV32和Cortex-M異常管理

Cortex-M僅支持向量中斷響應(yīng)，中斷向量指向?qū)?yīng)的中斷服務(wù)程序入口，處理器啟動后通過寄存器VTOR沖重定位中斷向量表。RV32支持向量和非向量兩種中斷響應(yīng)方式，處理器器復(fù)位時缺省為非向量響應(yīng)形式，中斷響應(yīng)時指向程序空間的起始地址，通常為0x00。處理器啟動后，通過設(shè)置機器模式異常向量基址寄存器mtvec設(shè)置中斷響應(yīng)模式和異常向量入口地址。

為了保證移植前后功能的一致性，將應(yīng)用程序移植到RV32后仍保證向量中斷響應(yīng)方式。RV32 MCU復(fù)位后首先執(zhí)行初始化序，將中斷向量表地址值的高30位寫入RV32寄存器（CSR）mtvec的mtvec [31:2],將01寫入mtvec[1:0]，選擇向量中斷響應(yīng)模式。

目前市場上RV32 MCU外設(shè)類型、接口和控制方法與Cortex-MMCU相似，中斷向量表結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相近。表2對比了Cortex-M MCU STM32F429與RV32 MCU GD32VF103中斷向量表結(jié)構(gòu)。

表2 STM32F429與GD32VF103中斷向量表結(jié)構(gòu)

如表2所示，RV32 MCU中斷向量中，除向量0外，每個32位向量值是對應(yīng)中斷服務(wù)程序的入口地址。由于復(fù)位后RV32缺省為非向量中斷響應(yīng)模式，需要首先設(shè)置中斷響應(yīng)模式和向量表基地址，向量0是跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到復(fù)位啟動程序入口。

2.2上下文處理

Cortex-MMCU響應(yīng)中斷請求時，硬件自動依次將xPSR,PC,LR,R12以及R3-R0壓入棧中，保存上下文；中斷服務(wù)程序返回時，硬件自動從棧中將數(shù)據(jù)彈回對應(yīng)寄存器，恢復(fù)上下文。

RV32 MCU響應(yīng)中斷請求時硬件自動保存PC到控制和狀態(tài)寄存器mepc，并保存特權(quán)模式至mstatus.MPP，但不保存上下文相關(guān)的通用寄存器和其他特殊功能寄存器。從中斷服務(wù)程序返回時，硬件僅自動恢復(fù)寄存器mstatus和PC。將Cortex-M MCU中斷服務(wù)程序移植到RV32 MCU時，需要在中斷服務(wù)程序中添加保存和恢復(fù)上下文語句或函數(shù)。

Cortex-M MCU應(yīng)用程序和中斷服務(wù)程序遵守ARM過程調(diào)用規(guī)范AAPCS，硬件在中斷響應(yīng)過程中自動保存4個特殊功能寄存器和4個參數(shù)寄存器r0-r3或稱為a0-a3。RISC-V應(yīng)用程序過程調(diào)用規(guī)范約定8個參數(shù)寄存器x10-x17或稱為a0-a7。與Cortex-M MCU自動保存的上下文內(nèi)容對照，RV32 MCU中斷服務(wù)程序中需要保存和恢復(fù)上下文內(nèi)容最小包括參數(shù)寄存器a0-a7和特殊功能寄存器。表3列出了RV32 MCU中斷服務(wù)程序中保存和恢復(fù)上下文最小集的程序語句。

表3 RV32 MCU中斷服務(wù)程序保存和恢復(fù)上下文程序語句

在中斷服務(wù)程序的入口添加表3中保存現(xiàn)場語句或函數(shù)，在返回語句前添加恢復(fù)現(xiàn)場語句或函數(shù)。 對于定制中斷響應(yīng)機制Gd32VF103 等MCU，則需要依據(jù)其使用手冊編寫中斷處理相關(guān)的程序。

3 指令集模塊

Cortex-M MCU采用Thumb指令集。RV32 MCU采用模塊化指令，生成應(yīng)用程序時可以選擇指令集模塊及其組合。將Cortex-M MCU應(yīng)用程序移植到RV32 MCU時，選擇與Thumb指令集相應(yīng)功能指令集模塊組合，以保持移植前后程序功能和性能的一致性。

為了便于分析和評估性能，本文選擇STM32F429和FE310分別作為Cortex-M MCU和RV32 MCU樣本，使用CoresMark 做性能分析；程序生成工具選擇Segger公司Embeddedstudio；匯編和編譯器選擇gcc，版本為gnu4.2.1。

STM32F429內(nèi)核為Cortex-M4 ，指令集為Thumb2。FE310支持RV32imac指令集模塊，處理器指令集功能是所有子模塊功能的并集。表4對STM32F429與FE310指令集部分功能進行了比較。

表4 STM32F429與FE310指令集部分功能

生成RV32 MCU應(yīng)用程序時，選擇不同的指令集或指令集組合，將會影響程序的性能。

3.1RV32i vs RV32im

Embedded studio創(chuàng)建FE310應(yīng)用程序工程時缺省使用RV32i指令集模塊，該模塊沒有乘法和除法指令。程序中的乘除法運算能夠正常編譯，編譯器通過調(diào)用由RV32i指令實現(xiàn)的運算函數(shù)庫實現(xiàn)。如果在編譯時選擇RV32im指令集模塊組合，則編譯器將直接使用乘法和除法指令實現(xiàn)運算，提高程序執(zhí)行速度。表5列出了c程序采用RV32i和RV32im指令集編譯后生成匯編指令對照。

表5 RV32i與RV32im匯編指令

表6列出了選擇RV32i與RV32im指令集在FE310模擬器上運行CoreMark得分。結(jié)果表明，如果應(yīng)用程序中含有乘法和除法運算，將RV32i改為RV32im指令集將提高程序運行速度。

表6 RV32i與RV32im CoreMark得分

3.2RV32im vs RV32imc

由于MCU處理器中存儲資源受限，對ROM和RAM的需求是開發(fā)MCU應(yīng)用程序關(guān)注的重點之一。Cortex-M采用支持16位指令Thumb指令模式，以減少應(yīng)用程序的體積。RV32i和RV32im指令長度是32位。對于同一源程序，使用RV32im指令集生成的二進制目標程序的長度將會大于Cortex-M目標程序的長度，從而增加對存儲資源的需求。選擇RV32imc指令集組合，將指令長度從32位變?yōu)?6位，減少所生成二進制目標程序的長度。表7列出了Coremark 4個主要文件不同指令集生成的二進制代碼長度。

表7 CoreMark主要文件生成的二進制代碼長度（字節(jié)）

從表7可見，RV32i程序的平均長度是Cortex-M4的2.05倍，RV32imc程序的平均長度是Cortex-M4的1.2倍。可見，在將程序從Cortex-M移植到RV32時，選擇RV32imc指令集組合，將基本滿足原系統(tǒng)對存儲資源限制要求。

添加指令集模塊"A"，選擇RV32imac指令集組合，編譯后主要文件二進制代碼長度與RV32imac完全相同，CoreMark得分2.34/MHz，與選擇RV32imc指令集組合時相近。

4過程調(diào)用規(guī)范

過程調(diào)用規(guī)范（Procedure Call Standard）定義了應(yīng)用程序二進制接口（Application Binary Interface），通常包括函數(shù)或過程調(diào)用中參數(shù)傳遞和結(jié)果返回方式，處理器寄存器使用，以及數(shù)據(jù)類型處理等內(nèi)容。將Cortex-M MCU應(yīng)用程序移植到RV32 MCU時，需要考慮ARM處理器和RISC-V處理器過程調(diào)用規(guī)范之間的差異。本節(jié)將討論函數(shù)調(diào)用過程參數(shù)傳遞方式的差別對移植程序帶來的影響。

ARM架構(gòu)過程調(diào)用規(guī)范（AAPCS）約定：在函數(shù)和過程調(diào)用過程中，調(diào)用者（主程序）通過4個寄存器r0-r3或稱為a0-a3，向函數(shù)（被調(diào)用者）傳遞參數(shù)。如果參數(shù)超過4個寄存器數(shù)值范圍，超出部分利用棧傳遞；函數(shù)通過a0-al返回結(jié)果。RISV-V過程調(diào)用規(guī)范（RISC-V Procedure Calling Convetion）約定：調(diào)用者通過8個寄存器x10-x17或稱為a0-a7，向被調(diào)用者傳遞參數(shù)。如果參數(shù)超過8個寄存器數(shù)值范圍，超出部分利用棧傳遞；被調(diào)用者利用a0-al返回結(jié)果。表8列出了6個整數(shù)型參數(shù)C語言函數(shù)編譯后所生成的Cortex-M和RV32imac匯編函數(shù)。

表8由C函數(shù)生成匯編函數(shù)

如表8匯編函數(shù)所示，Cortex-M4函數(shù)，參數(shù)1到參數(shù)4通過a0-a3傳遞，參數(shù)5和6通過棧傳遞。在RV32imac函數(shù)中，參數(shù)1-6通過a0-a5傳遞。Cortex-M4和RV32imac利用a0返回結(jié)果。

由于訪問棧的延時高于訪問寄存器，在設(shè)計Cortex-MMCU應(yīng)用函數(shù)時通常使參數(shù)不超過4*32位。將Cortex-M MCU應(yīng)用程序移植到RV32 MCU時，利用多達8*32位寄存器參數(shù)傳遞特性，將減少函數(shù)和過程調(diào)用帶來的延時。

5 總結(jié)與展望

本文從MCU中斷處理機制，指令集模塊組合，以及程序過程調(diào)用規(guī)范三方面比較Cortex-M和RV32MCU的差別，分析了這些差別對將應(yīng)用程序從Cortex-M MCU移植到RV32 MCU的影響。為了兼容中斷處理程序，將RV32 MCU設(shè)置為向量中斷響應(yīng)方式，并在中斷服務(wù)程序中添加保存和恢復(fù)上文語句。在生成應(yīng)用程序時選擇RV32imc指令集組合，實現(xiàn)高性能和小體積的應(yīng)用程序。利用MCU寄存器在函數(shù)和過程調(diào)用過程傳遞更多參數(shù)，降低調(diào)用過程中的延時。

RV32 MCU與Cortex-M MCU指令差別很大，指令之間的差異對程序移植性能優(yōu)化帶來挑戰(zhàn)。未來將進一步探討RV32程序移植中的性能優(yōu)化問題。

（作者單位：北京大學軟件與微電子學院，北京）

本文由《嵌入式技術(shù)與智能系統(tǒng)》授權(quán)發(fā)表，原文刊登在2024年第1期?！肚度胧郊夹g(shù)與智能系統(tǒng)》雜志由漢斯中文開源期刊學術(shù)交流平臺出版，是一本關(guān)注傳統(tǒng)嵌入式技術(shù)與新興智能系統(tǒng)前沿技術(shù)最新進展的國際中文期刊，編委團隊匯聚了國內(nèi)知名嵌入式系統(tǒng)專家與學者。閱讀原文了解期刊詳情并可下載論文PDF版本。