SiFive 經典 RISC-V FE310 微控制器原理與實踐

陳宏銘博士擁有超過二十年的半導體相關行業經驗，目前擔任上海賽昉科技的技術市場資深總監。
特別專註於物聯網、人工智能、超算與RISC-V處理器等領域的技術趨勢，負責協助中國大陸與港澳臺的客戶。
在加入上海賽昉科技之前，陳博士曾擔任創意電子的華東區業務總監以及智原科技的技術與市場總監，負責評估客戶設計與市場規劃。
更早前還擔任過明導國際亞太區產品專家，益華電腦應用工程師與聯陽半導體數字設計工程師。
 __eol__陳博士於臺灣清華大學獲得了電機工學學士與微電子專業工學碩士學位，在北京大學獲得了微電子專業理學博士學位。
同時也擔任武漢大學電子信息學院兼職教授，江南大學物聯網工程學院企業講師，教授本科生有關芯片設計、製造、封測與RISC-V處理器相關的入門知識。

第1章 RISC-的歷史和機遇 001
1.1 RISC-發明團隊與歷史 001
1.1.1 商業公司的指令集架構 004
1.1.2 RISC-指令集架構與其他指令集架構的不同點 006
1.1.3 RISC-發展史及其標誌性事件 007
1.2 RISC-基金會成長的歷史 008
1.2.1 RISC-基金會的成員介紹 009
1.2.2 RISC-基金會推動20個重點領域的技術 011
1.2.3 RISC-基金會標準制定過程及工作群組機制 012
1.2.4 RISC-國際協會的誕生 013
1.3 RISC-的生態系統 013
1.3.1 RISC-的開發板和生態系統 014
1.3.2 部分RISC-社區生態的支持廠商 018
1.3.3 芯片設計界的RISC-產品進展 021
1.4 SiFive研發團隊技術沿革 023
1.4.1 Rocket Chip SoC生成器 024
1.4.2 使用Chisel語言編寫Rocket Chip SoC生成器 025
1.4.3 Rocket標量處理器 026
1.4.4 SiFive強力推動RISC-生態發展 028

第2章 RISC-指令集架構介紹 031
2.1 引言 031
2.2 RISC-指令集架構特性 031
2.2.1 簡潔性 032
2.2.2 模塊化 032
2.3 指令長度編碼和指令格式 034
2.3.1 指令長度編碼 034
2.3.2 指令格式 035
2.4 寄存器列表 036
2.4.1 通用寄存器 036
2.4.2 控制與狀態寄存器 037
2.4.3 程序計數器 038
2.5 地址空間與尋址模式 038
2.5.1 地址空間 038
2.5.2 小端格式 039
2.5.3 尋址模式 039
2.6 內存模型 039
2.7 特權模式 040
2.8 中斷和異常 041
2.8.1 中斷和異常概述 041
2.8.2 RISC-機器模式下的中斷架構 041
2.8.3 機器模式下中斷和異常的處理過程 042
2.9 調試規範 043
2.10 RISC-未來的擴展子集 044
2.10.1 B標準擴展：位操作 044
2.10.2 H特權架構擴展：支持管理程序（Hypervisor） 044
2.10.3 J標準擴展：動態翻譯語言 044
2.10.4 L標準擴展：十進制浮點 045
2.10.5 N標準擴展：用戶態中斷 045
2.10.6 P標準擴展：封裝的單指令多數據（Packed-SIMD）指令 045
2.10.7 Q標準擴展：四精度浮點 045
2.10.8 V標準擴展：基本矢量擴展 045
2.11 RISC-指令列表 045
2.11.1 I指令子集 046
2.11.2 M指令子集 051
2.11.3 A指令子集 052
2.11.4 F指令子集 054
2.11.5 D指令子集 055
2.11.6 C指令子集 056

第3章 SiFive FE310-G003微控制器 059
3.1 FE310-G003微控制器概述 060
3.1.1 E31 RISC-內核 061
3.1.2 中斷 061
3.1.3 片內存儲系統 061
3.1.4 始終上電（AON）模塊 062
3.1.5 通用輸入與輸出 062
3.1.6 通用異步接收器/發送器 062
3.1.7 硬件串行外設接口 062
3.1.8 脈衝寬度調製 062
3.1.9 I2C 062
3.1.10 調試支持 063
3.2 E31內核介紹 063
3.2.1 E31內核概述 063
3.2.2 中斷架構 068
3.2.3 內核本地中斷器（CLINT） 073
3.2.4 調試支持 074
3.3 E31 FE310-G003內存映射 079
3.4 啟動程序 081
3.4.1 復位向量 081
3.4.2 BootLoader 082
3.5 時鐘生成 083
3.5.1 時鐘生成概述 083
3.5.2 PRCI地址空間的使用 084
3.5.3 可校準可編程72MHz振盪器（HFROSC） 085
3.5.4 外接16MHz晶體振盪器（HFXOSC） 086
3.5.5 內置高頻PLL（HFPLL） 086
3.5.6 PLL輸出分頻器 088
3.5.7 內置可編程低頻環形振盪器（LFROSC） 089
3.5.8 備用低頻時鐘（LFALTCLK） 089
3.5.9 時鐘總結 090
3.6 電源模式 090
3.6.1 運行模式 090
3.6.2 等待模式 090
3.6.3 睡眠模式 091
3.7 平臺級中斷控制器（PLIC） 091
3.7.1 內存映射 091
3.7.2 中斷源 092
3.7.3 中斷優先級 093
3.7.4 中斷未決位 093
3.7.5 中斷使能 094
3.7.6 優先級閾值 095
3.7.7 中斷聲明流程 095
3.7.8 中斷完成 096
3.8 一次性可編程存儲器（OTP）外設 096
3.8.1 內存映射 096
3.8.2 可編程I/O鎖定寄存器（otp_lock） 097
3.8.3 可編程I/O序列 097
3.8.4 讀序列控制寄存器（otp_rsctrl） 097
3.8.5 OTP編程警告 098
3.8.6 OTP編程過程 098
3.9 始終上電（AON）電源域 099
3.9.1 AON電源 100
3.9.2 AON時鐘 100
3.9.3 AON復位單元 100
3.9.4 上電複位電路 100
3.9.5 外部復位電路 100
3.9.6 復位原因 101
3.9.7 看門狗定時器（WDT） 101
3.9.8 實時時鐘（RTC） 101
3.9.9 備份寄存器 101
3.9.10 電源管理單元（PMU） 101
3.9.11 AON內存映射 101
3.10 看門狗定時器（WDT） 103
3.10.1 看門狗計數器（wdogcount） 104
3.10.2 看門狗時鐘選擇 104
3.10.3 看門狗配置寄存器（wdogcfg） 104
3.10.4 看門狗比較器0（wdogcmp0） 105
3.10.5 看門狗鍵值寄存器（wdogkey） 105
3.10.6 餵狗寄存器（wdogfeed） 105
3.10.7 看門狗配置 106
3.10.8 看門狗復位 106
3.10.9 看門狗中斷（wdogip0） 106
3.11 電源管理單元（PMU） 106
3.11.1 PMU概述 106
3.11.2 內存映射 107
3.11.3 PMU鍵值寄存器（pmukey） 108
3.11.4 PMU編程 108
3.11.5 初始化睡眠序列寄存器（pmusleep） 109
3.11.6 喚醒信號調理 109
3.11.7 PMU中斷使能寄存器（pmuie）和喚醒原因寄存器（pmucause） 110
3.12 實時時鐘（RTC） 111
3.12.1 RTC計數器（rtccounthi/rtccountlo） 111
3.12.2 RTC配置寄存器（rtccfg） 112
3.12.3 RTC比較器（rtccmp） 112
3.13 通用輸入輸出控制器（GPIO） 112
3.13.1 FE310-G003微控制器中的GPIO實例 114
3.13.2 內存映射 114
3.13.3 輸入/輸出值 114
3.13.4 中斷 115
3.13.5 內部上拉 115
3.13.6 驅動強度 115
3.13.7 輸出反轉 115
3.13.8 硬件I/O功能（IOF） 115
3.14 通用異步收發機（UART） 116
3.14.1 UART概述 117
3.14.2 FE310-G003微控制器中的UART實例 117
3.14.3 內存映射 117
3.14.4 發送數據寄存器（txdata） 118
3.14.5 接收數據寄存器（rxdata） 118
3.14.6 發送控制寄存器（txctrl） 118
3.14.7 接收控制寄存器（rxctrl） 119
3.14.8 中斷寄存器（ip和ie） 120
3.14.9 波特率除數寄存器（div） 120
3.15 串行外圍接口（SPI） 121
3.15.1 SPI概述 122
3.15.2 FE310-G003微控制器中的SPI實例 122
3.15.3 SPI內存映射 123
3.15.4 串行時鐘除數寄存器（sckdiv） 124
3.15.5 串行時鐘模式寄存器（sckmode） 124
3.15.6 芯片選擇ID寄存器（csid） 125
3.15.7 芯片選擇默認寄存器（csdef） 125
3.15.8 芯片選擇模式寄存器（csmode） 125
3.15.9 延遲控制寄存器（delay0和delay1） 126
3.15.10 幀格式寄存器（fmt） 127
3.15.11 發送數據寄存器（txdata） 128
3.15.12 接收數據寄存器（rxdata） 128
3.15.13 發送水印寄存器（txmark） 129
3.15.14 接收水印寄存器（rxmark） 129
3.15.15 SPI中斷寄存器（ie和ip） 129
3.15.16 SPI閃存接口控制寄存器（fctrl） 130
3.15.17 SPI閃存指令格式寄存器（ffmt） 131
3.16 脈寬調製器（PWM） 131
3.16.1 PWM概述 131
3.16.2 FE310-G003微控制器中的PWM實例 132
3.16.3 PWM內存映射 132
3.16.4 PWM計數器（pwmcount） 133
3.16.5 PWM配置寄存器（pwmcfg） 133
3.16.6 刻度化PWM計數器（pwms） 135
3.16.7 PWM比較器（pwmcmp0～pwmcmp3） 135
3.16.8 去毛刺和黏性電路 136
3.16.9 產生左向或右向的PWM波形 137
3.16.10 產生中心對齊（相位校正）PWM波形 137
3.16.11 使用組合生成任意的PWM波形 138
3.16.12 生成單次波形 138
3.16.13 PWM中斷 139
3.17 集成電路（I2C）主設備接口 139
3.18 調試接口 139
3.18.1 JTAG TAPC狀態機 139
3.18.2 復位JTAG邏輯 139
3.18.3 JTAG計時器 140
3.18.4 JTAG標準說明 140
3.18.5 JTAG調試命令 140

第4章 使用Freedom E-SDK進行軟件開發 141
4.1 SiFive Freedom Studio集成開發環境安裝與介紹 141
4.1.1 Freedom Studio簡介與安裝 141
4.1.2 啟動Freedom Studio 144
4.1.3 創建sifive-wele項目 145
4.1.4 配置sifive-wele項目 146
4.1.5 編譯sifive-wele項目 148
4.1.6 運行sifive-wele項目 149
4.1.7 調試程序 154
4.2 Hello World實例 156
4.2.1 新建Freedom工程 156
4.2.2 編譯生成可執行文件 157
4.2.3 連接SiFive Learn Inventor開發系統 158
4.2.4 修改J-LINK配置 158
4.2.5 程序下載及調試 158
4.2.6 使用Freedom Studio在線調試程序 160
4.3 Dhrystone基準程序介紹 160
4.3.1 Dhrystone基準程序功能介紹 161
4.3.2 Dhrystone基準程序代碼結構 163
4.3.3 Dhrystone基準程序存在的問題 164
4.3.4 在SiFive Learn Inventor開發系統上運行Dhrystone基準程序 164
4.4 CoreMark基準程序介紹 166
4.4.1 CoreMark基準程序功能介紹 166
4.4.2 CoreMark基準程序代碼結構 168
4.4.3 在SiFive Learn Inventor開發系統上運行CoreMark基準程序 168
4.4.4 CoreMark與Dhrystone兩種基準程序的比較 169

第5章 FreeRTOS實時多任務操作系統原理與應用 171
5.1 嵌入式操作系統 171
5.1.1 為什麼使用操作系統 17