SiFive经典RISC-V FE310微控制器原理与实践

本书以让读者快速掌握FE310嵌入式微控制器为目的，由浅入深地带领读者进入RISC-Ⅴ的世界。本书共分为7章，系统地介绍了SiFive  E系列32位RISC-Ⅴ微控制器的体系结构、SiFive  E31内核、片内存储系统、系统控制模块、外围设备接口的特点与性能；还介绍了SiFive  Freedom  Studio集成开发环境，Freedom  E-SDK驱动库开发及SiFive  Learn  Inventor开发系统，开发系统连接外部红外与超声波模块的拓展应用开发实例，有初步C语言基础的读者可轻松上手；还利用最后两章辅以大量的例程，讲解了FreeRTOS与RT-Thread等实时多任务操作系统的原理与应用。

第1章  RISC-Ⅴ的历史和机遇  001

1.1  RISC-Ⅴ发明团队与历史  001

1.1.1  商业公司的指令集架构  004

1.1.2  RISC-Ⅴ指令集架构与其他指令集架构的不同点  006

1.1.3  RISC-Ⅴ发展史及其标志性事件  007

1.2  RISC-Ⅴ基金会成长的历史  008

1.2.1  RISC-Ⅴ基金会的成员介绍  009

1.2.2  RISC-Ⅴ基金会推动20个重点领域的技术  011

1.2.3  RISC-Ⅴ基金会标准制定过程及工作群组机制  012

1.2.4  RISC-Ⅴ国际协会的诞生  013

1.3  RISC-Ⅴ的生态系统  013

1.3.1  RISC-Ⅴ的开发板和生态系统  014

1.3.2  部分RISC-Ⅴ社区生态的支持厂商  018

1.3.3  芯片设计界的RISC-Ⅴ产品进展  021

1.4  SiFive研发团队技术沿革  023

1.4.1  Rocket  Chip  SoC生成器  024

1.4.2  使用Chisel语言编写Rocket  Chip  SoC生成器  025

1.4.3  Rocket标量处理器  026

1.4.4  SiFive强力推动RISC-Ⅴ生态发展  028

第2章  RISC-Ⅴ指令集架构介绍  031

2.1  引言  031

2.2  RISC-Ⅴ指令集架构特性  031

2.2.1  简洁性  032

2.2.2  模块化  032

2.3  指令长度编码和指令格式  034

2.3.1  指令长度编码  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  控制与状态寄存器  037

2.4.3  程序计数器  038

2.5  地址空间与寻址模式  038

2.5.1  地址空间  038

2.5.2  小端格式  039

2.5.3  寻址模式  039

2.6  内存模型  039

2.7  特权模式  040

2.8  中断和异常  041

2.8.1  中断和异常概述  041

2.8.2  RISC-Ⅴ机器模式下的中断架构  041

2.8.3  机器模式下中断和异常的处理过程  042

2.9  调试规范  043

2.10  RISC-Ⅴ未来的扩展子集  044

2.10.1  B标准扩展：位操作  044

2.10.2  H特权架构扩展：支持管理程序（Hypervisor）  044

2.10.3  J标准扩展：动态翻译语言  044

2.10.4  L标准扩展：十进制浮点  045

2.10.5  N标准扩展：用户态中断  045

2.10.6  P标准扩展：封装的单指令多数据（Packed-SIMD）指令  045

2.10.7  Q标准扩展：四精度浮点  045

2.10.8  V标准扩展：基本矢量扩展  045  [1] 

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内核  061

3.1.2  中断  061

3.1.3  片内存储系统  061

3.1.4  始终上电（AON）模块  062

3.1.5  通用输入与输出  062

3.1.6  通用异步接收器/发送器  062

3.1.7  硬件串行外设接口  062

3.1.8  脉冲宽度调制  062

3.1.9  I2C  062

3.1.10  调试支持  063

3.2  E31内核介绍  063

3.2.1  E31内核概述  063

3.2.2  中断架构  068

3.2.3  内核本地中断器（CLINT）  073

3.2.4  调试支持  074

3.3  E31  FE310-G003内存映射  079

3.4  启动程序  081

3.4.1  复位向量  081

3.4.2  BootLoader  082

3.5  时钟生成  083

3.5.1  时钟生成概述  083

3.5.2  PRCI地址空间的使用  084

3.5.3  可校准可编程72MHz振荡器（HFROSC）  085

3.5.4  外接16MHz晶体振荡器（HFXOSC）  086

3.5.5  内置高频PLL（HFPLL）  086

3.5.6  PLL输出分频器  088

3.5.7  内置可编程低频环形振荡器（LFROSC）  089

3.5.8  备用低频时钟（LFALTCLK）  089

3.5.9  时钟总结  090

3.6  电源模式  090

3.6.1  运行模式  090

3.6.2  等待模式  090

3.6.3  睡眠模式  091

3.7  平台级中断控制器（PLIC）  091

3.7.1  内存映射  091

3.7.2  中断源  092

3.7.3  中断优先级  093

3.7.4  中断未决位  093

3.7.5  中断使能  094

3.7.6  优先级阈值  095

3.7.7  中断声明流程  095

3.7.8  中断完成  096

3.8  一次性可编程存储器（OTP）外设  096

3.8.1  内存映射  096

3.8.2  可编程I/O锁定寄存器（otp_lock）  097

3.8.3  可编程I/O序列  097

3.8.4  读序列控制寄存器（otp_rsctrl）  097

3.8.5  OTP编程警告  098

3.8.6  OTP编程过程  098

3.9  始终上电（AON）电源域  099

3.9.1  AON电源  100

3.9.2  AON时钟  100

3.9.3  AON复位单元  100

3.9.4  上电复位电路  100

3.9.5  外部复位电路  100

3.9.6  复位原因  101

3.9.7  看门狗定时器（WDT）  101

3.9.8  实时时钟（RTC）  101

3.9.9  备份寄存器  101

3.9.10  电源管理单元（PMU）  101

3.9.11  AON内存映射  101

3.10  看门狗定时器（WDT）  103

3.10.1  看门狗计数器（wdogcount）  104

3.10.2  看门狗时钟选择  104

3.10.3  看门狗配置寄存器（wdogcfg）  104

3.10.4  看门狗比较器0（wdogcmp0）  105

3.10.5  看门狗键值寄存器（wdogkey）  105

3.10.6  喂狗寄存器（wdogfeed）  105

3.10.7  看门狗配置  106

3.10.8  看门狗复位  106

3.10.9  看门狗中断（wdogip0）  106

3.11  电源管理单元（PMU）  106

3.11.1  PMU概述  106

3.11.2  内存映射  107

3.11.3  PMU键值寄存器（pmukey）  108

3.11.4  PMU编程  108

3.11.5  初始化睡眠序列寄存器（pmusleep）  109

3.11.6  唤醒信号调理  109

3.11.7  PMU中断使能寄存器（pmuie）和唤醒原因寄存器（pmucause）  110

3.12  实时时钟（RTC）  111

3.12.1  RTC计数器（rtccounthi/rtccountlo）  111

3.12.2  RTC配置寄存器（rtccfg）  112

3.12.3  RTC比较器（rtccmp）  112  [1] 

3.13  通用输入输出控制器（GPIO）  112

3.13.1  FE310-G003微控制器中的GPIO实例  114

3.13.2  内存映射  114

3.13.3  输入/输出值  114

3.13.4  中断  115

3.13.5  内部上拉  115

3.13.6  驱动强度  115

3.13.7  输出反转  115

3.13.8  硬件I/O功能（IOF）  115

3.14  通用异步收发机（UART）  116

3.14.1  UART概述  117

3.14.2  FE310-G003微控制器中的UART实例  117

3.14.3  内存映射  117

3.14.4  发送数据寄存器（txdata）  118

3.14.5  接收数据寄存器（rxdata）  118

3.14.6  发送控制寄存器（txctrl）  118

3.14.7  接收控制寄存器（rxctrl）  119

3.14.8  中断寄存器（ip和ie）  120

3.14.9  波特率除数寄存器（div）  120

3.15  串行外围接口（SPI）  121

3.15.1  SPI概述  122

3.15.2  FE310-G003微控制器中的SPI实例  122

3.15.3  SPI内存映射  123

3.15.4  串行时钟除数寄存器（sckdiv）  124

3.15.5  串行时钟模式寄存器（sckmode）  124

3.15.6  芯片选择ID寄存器（csid）  125

3.15.7  芯片选择默认寄存器（csdef）  125

3.15.8  芯片选择模式寄存器（csmode）  125

3.15.9  延迟控制寄存器（delay0和delay1）  126

3.15.10  帧格式寄存器（fmt）  127

3.15.11  发送数据寄存器（txdata）  128

3.15.12  接收数据寄存器（rxdata）  128

3.15.13  发送水印寄存器（txmark）  129

3.15.14  接收水印寄存器（rxmark）  129

3.15.15  SPI中断寄存器（ie和ip）  129

3.15.16  SPI闪存接口控制寄存器（fctrl）  130

3.15.17  SPI闪存指令格式寄存器（ffmt）  131

3.16  脉宽调制器（PWM）  131

3.16.1  PWM概述  131

3.16.2  FE310-G003微控制器中的PWM实例  132

3.16.3  PWM内存映射  132

3.16.4  PWM计数器（pwmcount）  133

3.16.5  PWM配置寄存器（pwmcfg）  133

3.16.6  刻度化PWM计数器（pwms）  135

3.16.7  PWM比较器（pwmcmp0～pwmcmp3）  135

3.16.8  去毛刺和黏性电路  136

3.16.9  产生左向或右向的PWM波形  137

3.16.10  产生中心对齐（相位校正）PWM波形  137

3.16.11  使用组合生成任意的PWM波形  138

3.16.12  生成单次波形  138

3.16.13  PWM中断  139

3.17  集成电路（I2C）主设备接口  139

3.18  调试接口  139

3.18.1  JTAG  TAPC状态机  139

3.18.2  复位JTAG逻辑  139

3.18.3  JTAG计时器  140

3.18.4  JTAG标准说明  140

3.18.5  JTAG调试命令  140

第4章  使用Freedom  E-SDK进行软件开发  141

4.1  SiFive  Freedom  Studio集成开发环境安装与介绍  141

4.1.1  Freedom  Studio简介与安装  141

4.1.2  启动Freedom  Studio  144

4.1.3  创建sifive-welcome项目  145

4.1.4  配置sifive-welcome项目  146

4.1.5  编译sifive-welcome项目  148

4.1.6  运行sifive-welcome项目  149

4.1.7  调试程序  154

书名：SiFive 经典RISC-V FE310微控制器原理与实践

½者：陈宏铭

出版社：电子工业出版社

出版时间：2020年12月

ISBN：9787121402036

字数：510.7千字

版权方：电子工业出版社有限公司

版权所有·侵权必究

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息信权版

本书以让读者快速掌握FE310嵌入式微控制器为目的，由浅入深地

带领读者进入RISC-Ⅴ的世界。本书共分为7章，系统地介绍了SiFive

E系列32½RISC-Ⅴ微控制器的½系结构、SiFive E31内核、片内存储

系统、系统控制模块、外围设备接口的特点与性½；还介绍了SiFive

Freedom Studio集成开发环境，Freedom E-SDK驱动库开发及SiFive

Learn Inventor开发系统，开发系统连接外部红外与超声波模块的拓

展应用开发实例，有初步C语言基础的读者可½松上手；还利用最后两

章辅以大量的例程，讲解了FreeRTOS与RT-Thread等实时多任务操½系

统的原理与应用。本书以最常见的UART接口驱动结构进行分析、移植

及代码解说，对于想要初步学习RTOS系统原理的人来说是一个不错的

选择。附½C给出了自制竞赛用智½½实例，达到½件开发结合硬件系

统设计的效果。

本书内容丰富实用、层次清晰、叙述详½，书中穿插的实例程序

全部½用C语言编写，且在Freedom Studio集成开发环境上编译通过，

方便读者教学与自学，非常适合RISC-Ⅴ嵌入式微控制器的初学者；还

可以½为高等院校计算机科学与技术、电子信息工程、通信工程、自

动控制、电气自动化、嵌入式、物联½等相关专业本科生或研究生，

进行RISC-Ⅴ微控制器系统与RTOS教学的嵌入式相关课程辅助教材；本

书着重培养学生实践应用½力，因此还可以½为全½大学生电子设计

竞赛RISC-Ⅴ子赛题的培训教材，尤其适合参加智½½竞赛的同学参

考；同时，还可以½为具有一定C语言知识和硬件基础的嵌入式系统开

发工程师和研究人员进行RISC-Ⅴ微控制器系统开发与应用的参考书。

介简容内

微控制器广泛运用在玩具、工业控制、医疗设备和家用电器等嵌

入式系统中，通过处理器、存储器和I/O器件完成智½硬件。联华电子

通过工艺和研发技术的不断优化，将嵌入式芯片的尺寸、功耗、成本

各方面做到极致，为系统级的产品提供了丰富和稳定的功½。我观察

到½内很多知名的设计公司已经研发并生产基于RISC-Ⅴ处理器的微控

制器，依托联华电子的支持开发出一系列具有高可靠性、高性价比的

工业级通用和专用内½闪存的产品。我的学弟陈宏铭博士在此时出版

基于RISC-Ⅴ处理器的微控制器应用书籍，可与设计微控制器芯片的同

业互相借鉴，截长补短，让中½的芯片业做大做强，这也是联华电子

立足中½的初心。

以RISC-Ⅴ为代表的开源指令集处理器及其相应的开源SoC芯片½

系结构设计已经成为公认的热点。在过去的一年，我们看到学术界和

工业界½推出了多款基于RISC-Ⅴ指令集的AIoT MCU、高性½CPU等解

决方案，给CPU½系结构设计带来了勃勃生机，而且更重要的是进一步

推动了开源芯片设计、开源EDA等新生态的茁壮成长。SiFive是RISC-

Ⅴ的典型代表，也是RISC-Ⅴ IP的领先供应商，½用SiFive MCU来搭

建嵌入式硬件和移植操½系统将进一步普及RISC-Ⅴ在教育界和工业界

的应用。在本书中，陈宏铭教授深入浅出地介绍了RISC-Ⅴ的历史和

SiFive MCU的½系结构，并且充分利用了SiFive开发板的特点和优

势，展示了蓝牙、WiFi、小½、FreeRTOS与RT-Thread移植等案例，学

生通过这些生动的案例可以逐步熟悉RISC-Ⅴ处理器，最终熟练掌握

RISC-Ⅴ处理器的开发。本书是初学者了解和熟悉RISC-Ⅴ处理器开发

的½教材，期待基于RISC-Ⅴ处理器的嵌入式设计在高校课程½系中生

根发½。

圣伟林 理经总副片芯舰和/子电华联——

授教雄志

邸 任主系副系程工子电院学术技与学科息信学大通交南西——

）序排间时馈反按（语荐推

荐推的界学与界业自来