SiFive 經(jīng)典RISC-V FE310微控制器原理與實踐
定 價：128 元
叢書名：RISC-V芯片系列
- 作者：陳宏銘
- 出版時間：2020/12/1
- ISBN：9787121402036
- 出 版 社：電子工業(yè)出版社
- 中圖法分類：TP368.1
- 頁碼：336
- 紙張：
- 版次：01
- 開本：16開
本書以讓讀者快速掌握FE310嵌入式微控制器為目的，由淺入深地帶領(lǐng)讀者進入RISC-Ⅴ的世界。本書共分為7章，系統(tǒng)地介紹了SiFive E系列32位RISC-Ⅴ微控制器的體系結(jié)構(gòu)、SiFive E31內(nèi)核、片內(nèi)存儲系統(tǒng)、系統(tǒng)控制模塊、外圍設(shè)備接口的特點與性能；還介紹了SiFive Freedom Studio集成開發(fā)環(huán)境，F(xiàn)reedom E-SDK驅(qū)動庫開發(fā)及SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)系統(tǒng)連接外部紅外與超聲波模塊的拓展應(yīng)用開發(fā)實例，有初步C語言基礎(chǔ)的讀者可輕松上手；還利用最后兩章輔以大量的例程，講解了FreeRTOS與RT-Thread等實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的原理與應(yīng)用。本書以最常見的UART接口驅(qū)動結(jié)構(gòu)進行分析、移植及代碼解說，對于想要初步學(xué)習(xí)RTOS系統(tǒng)原理的人來說是一個不錯的選擇。附錄C給出了自制競賽用智能車實例，達到軟件開發(fā)結(jié)合硬件系統(tǒng)設(shè)計的效果。 本書內(nèi)容豐富實用、層次清晰、敘述詳盡，書中穿插的實例程序全部使用C語言編寫，且在Freedom Studio集成開發(fā)環(huán)境上編譯通過，方便讀者教學(xué)與自學(xué)，非常適合RISC-Ⅴ嵌入式微控制器的初學(xué)者；還可以作為高等院校計算機科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、通信工程、自動控制、電氣自動化、嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)專業(yè)本科生或研究生，進行RISC-Ⅴ微控制器系統(tǒng)與RTOS教學(xué)的嵌入式相關(guān)課程輔助教材；本書著重培養(yǎng)學(xué)生實踐應(yīng)用能力，因此還可以作為全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽RISC-Ⅴ子賽題的培訓(xùn)教材，尤其適合參加智能車競賽的同學(xué)參考；同時，還可以作為具有一定C語言知識和硬件基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工程師和研究人員進行RISC-Ⅴ微控制器系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的參考書。
陳宏銘博士擁有超過二十年的半導(dǎo)體相關(guān)行業(yè)經(jīng)驗，目前擔(dān)任上海賽昉科技的技術(shù)市場資深總監(jiān)。特別專注于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、超算與RISC-V處理器等領(lǐng)域的技術(shù)趨勢，負責(zé)協(xié)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(dān)任創(chuàng)意電子的華東區(qū)業(yè)務(wù)總監(jiān)以及智原科技的技術(shù)與市場總監(jiān)，負責(zé)評估客戶設(shè)計與市場規(guī)劃。更早前還擔(dān)任過明導(dǎo)國際亞太區(qū)產(chǎn)品專家，益華電腦應(yīng)用工程師與聯(lián)陽半導(dǎo)體數(shù)字設(shè)計工程師。陳博士于臺灣清華大學(xué)獲得了電機工學(xué)學(xué)士與微電子專業(yè)工學(xué)碩士學(xué)位，在北京大學(xué)獲得了微電子專業(yè)理學(xué)博士學(xué)位。同時也擔(dān)任武漢大學(xué)電子信息學(xué)院兼職教授，江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院企業(yè)講師，教授本科生有關(guān)芯片設(shè)計、制造、封測與RISC-V處理器相關(guān)的入門知識。
第1章 RISC-Ⅴ的歷史和機遇 001
1.1 RISC-Ⅴ發(fā)明團隊與歷史 001
1.1.1 商業(yè)公司的指令集架構(gòu) 004
1.1.2 RISC-Ⅴ指令集架構(gòu)與其他指令集架構(gòu)的不同點 006
1.1.3 RISC-Ⅴ發(fā)展史及其標志性事件 007
1.2 RISC-Ⅴ基金會成長的歷史 008
1.2.1 RISC-Ⅴ基金會的成員介紹 009
1.2.2 RISC-Ⅴ基金會推動20個重點領(lǐng)域的技術(shù) 011
1.2.3 RISC-Ⅴ基金會標準制定過程及工作群組機制 012
1.2.4 RISC-Ⅴ國際協(xié)會的誕生 013
1.3 RISC-Ⅴ的生態(tài)系統(tǒng) 013
1.3.1 RISC-Ⅴ的開發(fā)板和生態(tài)系統(tǒng) 014
1.3.2 部分RISC-Ⅴ社區(qū)生態(tài)的支持廠商 018
1.3.3 芯片設(shè)計界的RISC-Ⅴ產(chǎn)品進展 021
1.4 SiFive研發(fā)團隊技術(shù)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-Ⅴ生態(tài)發(fā)展 028
第2章 RISC-Ⅴ指令集架構(gòu)介紹 031
2.1 引言 031
2.2 RISC-Ⅴ指令集架構(gòu)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(tài)寄存器 037
2.4.3 程序計數(shù)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(nèi)存模型 039
2.7 特權(quán)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-Ⅴ機器模式下的中斷架構(gòu) 041
2.8.3 機器模式下中斷和異常的處理過程 042
2.9 調(diào)試規(guī)范 043
2.10 RISC-Ⅴ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(quán)架構(gòu)擴展：支持管理程序（Hypervisor） 044
2.10.3 J標準擴展：動態(tài)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(tài)中斷 045
2.10.6 P標準擴展：封裝的單指令多數(shù)據(jù)（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-Ⅴ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-Ⅴ內(nèi)核 061
3.1.2 中斷 061
3.1.3 片內(nèi)存儲系統(tǒng) 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(fā)送器 062
3.1.7 硬件串行外設(shè)接口 062
3.1.8 脈沖寬度調(diào)制 062
3.1.9 I2C 062
3.1.10 調(diào)試支持 063
3.2 E31內(nèi)核介紹 063
3.2.1 E31內(nèi)核概述 063
3.2.2 中斷架構(gòu) 068
3.2.3 內(nèi)核本地中斷器（CLINT） 073
3.2.4 調(diào)試支持 074
3.3 E31 FE310-G003內(nèi)存映射 079
3.4 啟動程序 081
3.4.1 復(fù)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振蕩器（HFROSC） 085
3.5.4 外接16MHz晶體振蕩器（HFXOSC） 086
3.5.5 內(nèi)置高頻PLL（HFPLL） 086
3.5.6 PLL輸出分頻器 088
3.5.7 內(nèi)置可編程低頻環(huán)形振蕩器（LFROSC） 089
3.5.8 備用低頻時鐘（LFALTCLK） 089
3.5.9 時鐘總結(jié) 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(nèi)存映射 091
3.7.2 中斷源 092
3.7.3 中斷優(yōu)先級 093
3.7.4 中斷未決位 093
3.7.5 中斷使能 094
3.7.6 優(yōu)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(shè) 096
3.8.1 內(nèi)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(fù)位單元 100
3.9.4 上電復(fù)位電路 100
3.9.5 外部復(fù)位電路 100
3.9.6 復(fù)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(nèi)存映射 101
3.10 看門狗定時器（WDT） 103
3.10.1 看門狗計數(shù)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 喂狗寄存器（wdogfeed） 105
3.10.7 看門狗配置 106
3.10.8 看門狗復(fù)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(nèi)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(diào)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(shù)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(nèi)存映射 114
3.13.3 輸入/輸出值 114
3.13.4 中斷 115
3.13.5 內(nèi)部上拉 115
3.13.6 驅(qū)動強度 115
3.13.7 輸出反轉(zhuǎn) 115
3.13.8 硬件I/O功能（IOF） 115
3.14 通用異步收發(fā)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(nèi)存映射 117
3.14.4 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（txdata） 118
3.14.5 接收數(shù)據(jù)寄存器（rxdata） 118
3.14.6 發(fā)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(shù)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(nèi)存映射 123
3.15.4 串行時鐘除數(shù)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(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（txdata） 128
3.15.12 接收數(shù)據(jù)寄存器（rxdata） 128
3.15.13 發(fā)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(diào)制器（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(nèi)存映射 132
3.16.4 PWM計數(shù)器（pwmcount） 133
3.16.5 PWM配置寄存器（pwmcfg） 133
3.16.6 刻度化PWM計數(shù)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(chǎn)生左向或右向的PWM波形 137
3.16.10 產(chǎn)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(shè)備接口 139
3.18 調(diào)試接口 139
3.18.1 JTAG TAPC狀態(tài)機 139
3.18.2 復(fù)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(diào)試命令 140
第4章 使用Freedom E-SDK進行軟件開發(fā) 141
4.1 SiFive Freedom Studio集成開發(fā)環(huán)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(chuàng)建sifive-welcome項目 145
4.1.4 配置sifive-welcome項目 146
4.1.5 編譯sifive-welcome項目 148
4.1.6 運行sifive-welcome項目 149
4.1.7 調(diào)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(zhí)行文件 157
4.2.3 連接SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng) 158
4.2.4 修改J-LINK配置 158
4.2.5 程序下載及調(diào)試 158
4.2.6 使用Freedom Studio在線調(diào)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(jié)構(gòu) 163
4.3.3 Dhrystone基準程序存在的問題 164
4.3.4 在SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)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(jié)構(gòu) 168
4.4.3 在SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)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(wù)操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用 171
5.1 嵌入式操作系統(tǒng) 171
5.1.1 為什么使用操作系統(tǒng) 172
5.1.2 RTOS 172
5.2 FreeRTOS—小型實時操作系統(tǒng)內(nèi)核 173
5.2.1 為什么選擇FreeRTOS 174
5.2.2 FreeRTOS內(nèi)核基礎(chǔ)知識介紹 175
5.2.3 關(guān)于FreeRTOS的軟件授權(quán) 177
5.3 FreeRTOS的RISC-Ⅴ平臺移植 178
5.3.1 FreeRTOS的移植 178
5.3.2 FreeRTOS內(nèi)核源碼結(jié)構(gòu) 179
5.3.3 FreeRTOSConfig.h內(nèi)核配置頭文件 180
5.3.4 portmacro.h宏定義文件 182
5.3.5 port.c文件 183
5.3.6 portASM.s匯編實現(xiàn)文件 184
5.4 FreeRTOS的UART驅(qū)動結(jié)構(gòu)分析、移植及應(yīng)用 186
5.4.1 UART簡介 186
5.4.2 UART驅(qū)動結(jié)構(gòu)分析 186
5.4.3 FreeRTOS下的UART發(fā)送與接收 187
5.4.4 基于FreeRTOS的UART其他功能 189
5.4.5 FreeRTOS下的UART移植與應(yīng)用 189
第6章 RT-Thread實時操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用 190
6.1 RT-Thread Nano介紹 190
6.1.1 RT-Thread簡介 190
6.1.2 RT-Thread Nano軟件結(jié)構(gòu) 191
6.1.3 RT-Thread Nano特性 192
6.2 RT-Thread內(nèi)核移植原理 193
6.2.1 RT-Thread目錄結(jié)構(gòu) 193
6.2.2 RT-Thread CPU架構(gòu)移植 193
6.2.3 RT-Thread板級支持移植 195
6.3 移植RT-Thread到FE310微控制器 195
6.3.1 構(gòu)建rtthread-metal包 196
6.3.2 構(gòu)建板級支持文件 198
6.3.3 裁剪RT-Thread 201
6.4 使用Freedom Studio開發(fā)RT-Thread 202
6.4.1 rtthread-metal包 203
6.4.2 example-rtthread例程 203
6.4.3 在Freedom Studio中導(dǎo)入example-rtthread 205
6.5 移植FinSH組件 206
6.5.1 添加串口控制臺 206
6.5.2 移植FinSH組件 208
6.5.3 修改LD連接文件 208
6.6 RT-Tread的UART驅(qū)動結(jié)構(gòu)分析、移植及應(yīng)用 209
6.6.1 RT-Tread外設(shè)驅(qū)動 210
6.6.2 UART驅(qū)動結(jié)構(gòu)分析 210
6.6.3 UART的移植與應(yīng)用 217
第7章 SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)實例 219
7.1 SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)組成 219
7.1.1 SPI閃存 219
7.1.2 I/O擴展連接器 220
7.1.3 無線連接 221
7.1.4 連接USB接口 222
7.2 在SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)點亮LED燈 223
7.2.1 構(gòu)件化的設(shè)計思想 223
7.2.2 點亮LED燈 224
7.3 在SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)使用按鍵 228
7.3.1 中斷的基本概念 228
7.3.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計 229
7.3.3 讓按鍵控制LED燈 230
7.4 紅外循跡小車 231
7.4.1 紅外傳感器 231
7.4.2 其他參考實例 235
7.4.3 應(yīng)用實例 236
7.4.4 PID控制算法介紹 238
7.5 超聲波避障小車 242
7.5.1 超聲波測距原理 242
7.5.2 溫度對測距的影響 242
7.5.3 超聲波傳感器介紹及使用 242
7.5.4 軟件程序設(shè)計 243
附錄A Amazon FreeRTOS認證 253
A.1 搭建測試項目 253
A.1.1 下載測試代碼 253
A.1.2 測試項目設(shè)置 254
A.1.3 移植功能庫準備 257
A.2 串口輸出 258
A.2.1 準備內(nèi)容 258
A.2.2 操作步驟 258
A.3 FreeRTOS內(nèi)核移植 259
A.3.1 準備內(nèi)容 259
A.3.2 操作步驟 259
A.4 藍牙低功耗功能 260
A.4.1 準備內(nèi)容 261
A.4.2 操作步驟 261
附錄B Amazon FreeRTOS移植 265
B.1 系統(tǒng)要求 265
B.1.1 硬件要求 265
B.1.2 網(wǎng)絡(luò)連接要求 265
B.2 下載Amazon FreeRTOS進行移植 266
B.2.1 下載Amazon FreeRTOS 266
B.2.2 從GitHub克隆Amazon FreeRTOS倉庫 266
B.3 設(shè)置用于移植的Amazon FreeRTOS源代碼 266
B.3.1 配置已下載的Amazon FreeRTOS數(shù)據(jù)資料 267
B.3.2 設(shè)置用于測試的Amazon FreeRTOS源代碼 267
B.4 移植Amazon FreeRTOS庫 270
B.4.1 執(zhí)行宏configPRINT_STRING() 272
B.4.2 配置FreeRTOS內(nèi)核端口 272
B.4.3 移植WiFi庫 273
B.4.4 移植安全套接字庫 274
B.4.5 移植PKCS #11庫 276
B.4.6 移植TLS庫 277
B.4.7 配置用于測試的MQTT庫 279
B.4.8 配置用于測試的HTTPS客戶端庫 279
B.4.9 移植OTA庫 280
B.4.10 移植藍牙低功耗庫 281
附錄C 自制競賽用智能車 283
C.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 283
C.1.1 底盤設(shè)計 284
C.1.2 驅(qū)動設(shè)計 284
C.1.3 電源布局 284
C.1.4 SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)立式插槽布局 285
C.2 電子電路設(shè)計 285
C.2.1 電源穩(wěn)壓電路 285
C.2.2 電動機驅(qū)動電路 287
C.2.3 感光電路 287
C.2.4 外圍接口電路 288
C.3 控制程序設(shè)計 291
C.3.1 驅(qū)動程序設(shè)計 291
C.3.2 控制算法設(shè)計 294
附錄D SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)常見問題解答 297
D.1 在Ubuntu上的例程 297
D.2 SEGGER J-Link OB調(diào)試器未接入 299
D.2.1 SEGGER J-Link OB調(diào)試器配置 299
D.2.2 控制臺配置 300
D.3 恢復(fù)SiFive Learn Inventor開發(fā)系統(tǒng)出廠設(shè)置 300
D.4 無法刻錄程序 301
D.5 恢復(fù)開發(fā)系統(tǒng)出廠設(shè)置后仍無法刻錄程序 301
D.6 調(diào)試參考信息 303
D.7 一般信息 303
參考文獻 304
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