📚 课程目录第2章 QEMU RISC-V virt 机器内存映射解析与串口初始化

2. QEMU RISC-V virt 机器内存映射解析与串口初始化

任务说明

本案例面向QEMU RISC-V环境，目标是编写一个最小固件程序，通过GPIO控制虚拟LED以固定周期闪烁。固件将直接操作内存映射的GPIO寄存器，不依赖任何操作系统或驱动库，以此演示RISC-V裸机开发的基本流程。

硬件模型与地址映射

QEMU的virt机器为RISC-V提供了一套标准的GPIO控制器（对应SiFive GPIO模型），其寄存器基地址为0x10002000。该控制器包含以下关键寄存器（均为32位宽）：

输入值寄存器（0x00）：读取引脚电平。
输出值寄存器（0x04）：写入引脚输出电平。
输出使能寄存器（0x08）：置1的位对应引脚为输出模式。

本案例使用GPIO第0号引脚（对应寄存器bit 0）连接虚拟LED。通过将输出使能寄存器的bit 0置1，再交替写输出值寄存器的bit 0为1和0，即可控制LED亮灭。

固件实现

固件代码包含两个文件：启动汇编文件start.S负责设置栈指针并跳转到C入口；主程序main.c实现GPIO初始化和闪烁逻辑。延时采用简单的循环计数实现，不依赖定时器外设。

// start.S
.section .text.init
.globl _start
_start:
    la sp, _stack_top    // 设置栈指针
    call main            // 跳转到C主函数
loop:
    j loop               // 主函数返回后死循环

// main.c
#define GPIO_BASE  0x10002000UL
#define GPIO_OUTPUT_VAL  (*(volatile unsigned int *)(GPIO_BASE + 0x04))
#define GPIO_OUTPUT_EN   (*(volatile unsigned int *)(GPIO_BASE + 0x08))

void delay(unsigned int count) {
    while (count--) {
        // 空循环延时
        __asm__ volatile("nop");
    }
}

int main(void) {
    // 配置GPIO0为输出
    GPIO_OUTPUT_EN |= (1U << 0);
    while (1) {
        GPIO_OUTPUT_VAL |= (1U << 0);   // 点亮LED
        delay(500000);
        GPIO_OUTPUT_VAL &= ~(1U << 0);  // 熄灭LED
        delay(500000);
    }
    return 0;
}

链接脚本与构建

链接脚本link.ld将代码段加载到QEMU默认的复位地址0x80000000，并预留栈空间。构建使用RISC-V交叉编译工具链，生成ELF文件后由QEMU直接加载执行。

/* link.ld */
OUTPUT_ARCH(riscv)
ENTRY(_start)
SECTIONS {
    . = 0x80000000;
    .text : { *(.text.init) *(.text) }
    .rodata : { *(.rodata) }
    .data : { *(.data) }
    .bss : { *(.bss) }
    . = ALIGN(16);
    . += 0x1000;          // 预留4KB栈空间
    _stack_top = .;
}

# 构建命令
riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv64gc -mabi=lp64d -nostdlib -ffreestanding \
    -T link.ld -o firmware.elf start.S main.c

# 运行命令（QEMU）
qemu-system-riscv64 -machine virt -nographic -bios none -kernel firmware.elf

验证方法

运行上述QEMU命令后，观察QEMU监视器中的GPIO状态。在QEMU的virt机器中，GPIO0引脚电平变化会反映在虚拟设备状态中。可通过以下步骤验证：

启动QEMU后，在监视器（Ctrl+A然后按C进入）中执行info qtree查看设备树，确认GPIO控制器存在。
使用xp /4xw 0x10002000命令读取GPIO寄存器组，观察输出值寄存器（偏移0x04）的bit 0是否在0和1之间周期性变化。
若观察到bit 0以约0.5秒间隔交替变化，则说明LED闪烁功能正常，固件任务完成。

判定标准：输出值寄存器bit 0呈现周期性翻转，且翻转周期与代码中延时参数匹配（约1秒一个完整周期），即判定为通过。

预期行为说明

由于QEMU的virt机器没有真实LED外设，本案例通过读取GPIO输出值寄存器来间接观察LED状态。代码逻辑上，GPIO0输出电平以约1秒周期交替变化，对应LED以相同周期闪烁。若在QEMU监视器中观察到输出值寄存器bit 0周期性翻转，则证明固件正确执行了GPIO控制逻辑。