3. 串口输出Hello World

任务说明

本案例要求在QEMU模拟的RISC-V virt机器上，通过内存映射寄存器初始化UART（PL011），并向终端输出"Hello World"字符串。目标验证串口驱动代码的正确性以及QEMU串口仿真链路是否打通。

硬件背景

QEMU的virt机器使用PL011作为串口控制器，其寄存器基地址为0x10000000。PL011的关键寄存器包括：

• DR（0x000）：数据寄存器，写入即发送字符
• FR（0x018）：标志寄存器，bit5为TXFF（发送FIFO满）
• IBRD（0x024）：整数波特率寄存器
• FBRD（0x028）：小数波特率寄存器
• LCRH（0x02C）：线路控制寄存器，需设置数据位、使能FIFO
• CR（0x030）：控制寄存器，使能UART、TX

代码实现

以下代码实现完整的UART初始化和字符串输出功能，可直接编译运行于QEMU virt机器：

// uart_hello.c
#include <stdint.h>

#define UART_BASE 0x10000000UL

// PL011寄存器偏移
#define UART_DR   0x000
#define UART_FR   0x018
#define UART_IBRD 0x024
#define UART_FBRD 0x028
#define UART_LCRH 0x02C
#define UART_CR   0x030

// FR寄存器标志位
#define FR_TXFF   (1 << 5)

static volatile uint32_t *uart_reg(uint32_t offset) {
    return (volatile uint32_t *)(UART_BASE + offset);
}

// 初始化PL011：8位数据、无校验、1停止位、使能FIFO
static void uart_init(void) {
    // 先禁用UART
    *uart_reg(UART_CR) = 0x0;

    // 设置波特率（QEMU默认时钟24MHz，目标115200）
    // IBRD = 24000000 / (16 * 115200) = 13.02 → 13
    // FBRD = (0.02 * 64) + 0.5 = 1.78 → 1
    *uart_reg(UART_IBRD) = 13;
    *uart_reg(UART_FBRD) = 1;

    // 线路控制：8位数据、使能FIFO（LCRH = 0x60）
    *uart_reg(UART_LCRH) = 0x60;

    // 使能UART、TX（CR = 0x301）
    *uart_reg(UART_CR) = 0x301;
}

// 发送单个字符（忙等待直到TX FIFO有空位）
static void uart_putc(char c) {
    // 等待发送FIFO不满
    while (*uart_reg(UART_FR) & FR_TXFF)
        ;
    *uart_reg(UART_DR) = (uint32_t)c;
}

// 输出字符串
static void uart_puts(const char *str) {
    while (*str) {
        uart_putc(*str++);
    }
}

// QEMU virt机器入口（_start跳转至此）
void main(void) {
    uart_init();
    uart_puts("Hello World\n");
    // 输出完成后进入死循环，避免main返回后执行未定义代码
    while (1)
        ;
}

链接脚本

需要链接脚本将代码放置在QEMU期望的入口地址（0x80000000）：

/* link.ld */
OUTPUT_ARCH("riscv")
ENTRY(_start)

SECTIONS
{
    . = 0x80000000;
    .text : {
        *(.text._start)
        *(.text*)
    }
    .rodata : {
        *(.rodata*)
    }
    .data : {
        *(.data*)
    }
    .bss : {
        *(.bss*)
    }
}

启动汇编

提供最小的启动代码，设置栈指针后跳转到main：

# start.S
.section .text._start
.globl _start
_start:
    # 设置栈指针（指向DRAM顶部）
    li sp, 0x80000000
    # 栈向下增长，预留空间
    li t0, 0x100000
    sub sp, sp, t0

    # 跳转到C代码
    call main

# 不应返回，若返回则死循环
loop:
    j loop

编译与运行

使用RISC-V交叉编译工具链编译，并在QEMU中运行：

# 编译（假设riscv64-unknown-elf-gcc已安装）
riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv64gc -mabi=lp64 -nostdlib -ffreestanding \
    -T link.ld -o uart_hello.elf start.S uart_hello.c

# 在QEMU中运行（无图形界面，串口输出到终端）
qemu-system-riscv64 -machine virt -nographic -kernel uart_hello.elf

验证方法

运行上述QEMU命令后，观察终端输出。判定标准：

• 终端显示Hello World且无乱码
• 程序不崩溃、不产生异常（QEMU无错误退出）
• 串口输出完整，无字符丢失或重复

预期输出为：

Hello World

串口初始化时序

关键点说明

• QEMU virt机器上电后从0x80000000开始执行，因此链接脚本将代码段定位在此地址
• PL011的波特率分频值基于QEMU固定的24MHz参考时钟计算
• 发送字符前必须检查FR寄存器的TXFF位，确保发送FIFO未满
• 字符串以\n结尾，QEMU的串口仿真会自动转换为终端换行