Renode：第一个RISC-V裸机demo_metal riscv

在Renode上跑通了一个裸机（baremetal）demo，记录一下过程，为后面的进一步开发做铺垫。

该Demo来自国外一个大神的代码仓库：https://github.com/y2kbugger/baremetal-riscv-renode

有兴趣的同学可以自行下载。

1. 准备工作

1.1 Renode安装

由于我们使用Renode作为仿真平台，因此首先需要完成Renode的安装。以上代码仓库中包含了所有的工程组件，包括Renode源码、RISC-V工具链源码，以及编译所需组件的Makefile，但是实际使用中，可能会出错，所以我选择逐项安装。

Renode的安装在之前的文章里面已经介绍过，在本Demo中可以直接使用，安装方法见之前的博客：初识Renode_牧羊女-CSDN博客

1.2 RISC-V toolchain安装

要想在x86平台上编译RISC-V的binaries，首先需要安装交叉编译工具。针对该Demo的需要，我们只需要安装riscv32-unknown-elf-gcc套件即可，之前的文章我们也介绍了riscv32-unknown-elf-gcc的编译安装过程：编译riscv32-unknown-elf-gcc_牧羊女-CSDN博客

2. 硬件组成和软件代码

该Demo非常简单，堪称嵌入式界的“Hello World”，功能是让一个虚拟LED闪烁。该Demo使用的硬件及软件代码见下面描述。

2.1 硬件组成

Demo使用的硬件组成非常简单，包括一块很小的memory、一个RISC-V CPU、一个GPIO以及两个LED，如下面平台描述文件(vexriscv.repl)所示：

mem: Memory.MappedMemory @ sysbus 0x0
    size: 0x00040000
 
cpu: CPU.VexRiscv @ sysbus
 
gpio_out: GPIOPort.LiteX_GPIO @ sysbus 0x60000800
    type: Type.Out
    0 -> led0@0
    1 -> led1@0
 
led0 : Miscellaneous.LED @ gpio_out 0
led1 : Miscellaneous.LED @ gpio_out 1

关于平台描述文件的介绍，见前面的文章： Renode学习：平台描述文件REPL_牧羊女-CSDN博客

2.2 源代码

该Demo的软件代码(baremetal.s)为汇编语言，但也很简单，按照我有限的理解加了一点注释，如下：

#这段有点像C中的宏定义哈
.equ LED, 0x60000800
.equ DELAY_COUNT, 9000000
.equ LED_STATE_INITIAL, 0b00
.equ LED_STATE_TOGGLE_MASK, 0b01
 
.section .text     #定义文本段
.global _start     #定义_start为外部程序可访问的标签，类似于我们常用的main()函数
_start:
        li a5, LED                # 将上面LED表示的值加载到a5寄存器
        li a4, LED_STATE_INITIAL  # 同上，li为加载立即数指令
        li a6, LED_STATE_TOGGLE_MASK
        sw a4, 0x0(a5)      # store word，将寄存器一个word大小的值存入堆栈，0x0为offset
loop:
        li a0, DELAY_COUNT      # reset counter
delay_loop:
        addi a0, a0, -1         # count down
        bnez a0, delay_loop     # 条件转移指令，不为0时发生
toggle_led:
        lw a4, 0x0(a5)          # read in old led state
        xor a4, a4, a6          # toggle led state word
        sw a4, 0x0(a5)          # write new state
        jump loop, t0

3. 编译、运行

工程的运行需要三个步骤，分别是：

(1) 从源码baremetal.s中编译出目标二进制文件；

(2) 启动由以上REPL平台描述文件定义的硬件模拟环境；

(3) 将步骤(1)中编译出的elf文件加载到平台模拟器的内存中。

3.1 编译目标文件

目标文件的编译命令行如下：

riscv32-unknown-elf-gcc baremetal.s -ggdb -O0 -o image -ffreestanding -nostdlib

其中，

• riscv32-unknown-elf-gcc为我们在1.2中编译安装的risc-v交叉编译器；
• baremetal.s为软件源码，以上已有介绍；
• -ggdb，使能GDB调试；
• -o image，指定输出elf二进制文件的名称为“image”，可根据自己需要自由修改；
• -ffreestanding，不使用main函数，不假定操作系统的存在；
• -nostdlib，不依赖C标准库。

执行完以上编译命令后，会生成目标ELF文件image：

3.2 仿真脚本

Renode有一个非常方便的地方，就是可以通过一个RESC脚本将所有的步骤串联起来执行，而无需用户在命令行窗口中逐个输入命令，这就大大简化了我们的仿真操作步骤。

工程的仿真脚本（vexriscv.resc）如下：

:name: 1_blinky_VexRiscv
:description: Loader for the baremetal-riscv-renode project example 1 "blinky"
 
$name?="vexriscv-machine"
 
using sysbus
mach create $name
machine LoadPlatformDescription @vexriscv.repl
 
sysbus LoadELF @image
 
machine StartGdbServer 3333
logLevel -1 sysbus.gpio_out.led0
logLevel -1 sysbus.gpio_out.led1
 
start

关于脚本中命令的介绍，见之前的文章：Renode学习：Working with machines_牧羊女-CSDN博客 

3.3 运行

代码仓库中已经将运行命令也集成到了Makefile文件中，所以我们只需要执行make launch即可使demo运行起来。

Makefile文件如下：

image: baremetal.s
	riscv32-unknown-elf-gcc baremetal.s -ggdb -O0 -o image -ffreestanding -nostdlib
 
launch: image
	renode vexriscv.resc
 
debug:
	riscv32-unknown-elf-gdb -x gdbrc
 
clean:
	rm image

运行界面如下：