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bigmagic

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MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

最近在研究riscv的底层，包括riscv的bkpv扩展，riscv工具链，riscv的qemu,看到D1的硬件性能还不错，结合自己的研究方向，在实际的芯片上做实验更加有效果。加上平头哥的C906已经开源了，这确实是一个选择底层研究riscv不错的硬件平台。

之前研究过一段时间的树莓派baremeta，觉得d1-nezha也是完全可以研究baremetal的

https://github.com/bigmagic123/d1-nezha-baremeta

实验基于全志的soc,目前已经实现了clint，plint等中断系统，还有riscv system timer, soft interrupt等实验，拿到MangoPi-MQ后，也进行led的点灯实验。后期也会逐渐完善i2c，spi, sdio 等等，还有精力的话实现更加高级的外设。

1.startup
2.vector_example
3.uart
4.soft_intrrupt
5.timer
6.plint
7.led
8.input

另外，也适配了rt-thread系统，当前rt-thread是系统运行在riscv machine mode下，因为是实验平台，实现最新版本的rt-thread的适配，后期会结合baremetal做更多有趣的应用。

https://github.com/bigmagic123/d1-nezha-rtthread

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

d1s rt-thread led实验记录

当前d1s的gpio驱动已经对接到rt-thread的驱动框架上了。

现在描述一下在麻雀派上的点灯操作以及原理分析。

LED对应的引脚是PD22

这时对接rt-thread的pin框架，可以按照下面的方式进行

首先需要实现rt-thread pin 框架的ops

static const struct rt_pin_ops ops =
{
    d1s_pin_mode,
    d1s_pin_write,
    d1s_pin_read,
    d1s_pin_attach_irq,
    d1s_pin_detach_irq,
    d1s_pin_irq_enable,
    d1s_pin_get,
};

实现上述的几个函数的功能，然后将上述的结构体注册进去

rt_device_pin_register("gpio", &ops, RT_NULL);

当前只实现了读，写操作，关于中断的操作目前还没有实现。

在操作的代码中，可以通过下面的操作进行

int main(void)
{
    printf("Hello RISC-V!\n");

    int led_pin = rt_pin_get("PD.22");
    rt_pin_mode(led_pin, PIN_MODE_OUTPUT);

    while(1)
    {
        rt_pin_write(led_pin, 1);
        rt_thread_mdelay(500);
        rt_pin_write(led_pin, 0);
        rt_thread_mdelay(500);
    }
    return 0;
}

最后就可以实现点灯操作。

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

探索麻雀D1s上的RVV

关键点在于设置VS标志位

VS位于MSTATUS寄存器的23到24位。但是需要注意的是，当使用RVV时，需要开启浮点寄存器（FS），不然会报错。

同时在编译选项中添加

-march=rv64gcvxtheadc -mabi=lp64d -mtune=c906

关于测试的例子，可以参考

https://github.com/T-head-Semi/csi-nn2

这是平头哥开源的神经网络库，里面又有一些操作函数，只简单测试一下性能

测试结果可以看出，浮点加法，乘法性能还是可以的，但是memcpy还是newlib中优化的较好。

代码可以参考

https://github.com/bigmagic123/d1-nezha-rtthread/blob/main/bsp/d1-nezha/applications/vector.c

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

完成了麻雀riscv d1s上的rt-thread 适配lvgl功能

刷新率还算可以，通过demo上测试的平均帧率在38fps,当然这个不是很可信，基本还算流畅吧。应该还有优化空间，现在开源，起到抛砖引玉的作用。

开源代码

https://github.com/bigmagic123/d1-nezha-rtthread

打开env功能

输入

C:\work\work\d1\d1-nezha-rtthread\bsp\d1-nezha
> pkgs --update
==============================>  LVGL update done

==============================>  lv_music_demo update done

Operation completed successfully.

然后输入scons开始编译

最后通过fex工具下载固件到d1s的板子上就可以看到了。

当前gt911触摸驱动已经ok,还没完全适配到lvgl上

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

d1s 上的运行rt-thread 上的lvgl 触摸功能也正常了，现在实现的gt911触摸驱动比较粗糙，没有按下移动事件，这里基本对接到lvgl的indev设备，后续有需求再完善功能。

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

关于平头哥开源的DSP RVV intrinsic

似乎很久没有维护了，其自带的编译器中是，就拿官网上下载的riscv gcc来看

riscv64-elf-mingw\lib\gcc\riscv64-unknown-elf\8.4.0\include

其gcc的版本为8.4.0，平头哥开源出来的gcc版本为10.2.

https://github.com/T-head-Semi/xuantie-gnu-toolchain

其版本号不一样，而且riscv-vector.h和riscv-dsp.h的intrinsic也不一样。这样就有可能平头哥内部维护一个版本的gcc,而开源的又是另外一个版本。

这两个版本的intrinsic应该都不会被gcc上游接纳，所以编译模型也会非常奇怪，感觉这部分不会被启用了。

不过这个也没办法，做芯片相关gcc都会这样搞，就像当年苹果维护gcc一样。后续感觉平头哥对维护自己的开源的xuantie-gnu-toolchain，也会显得有心无力啊。

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

d1上的向量自动化

由于d1支持rvv扩展，如果写汇编比较麻烦，用intrinsic比较简单，但是问题是也需要查手册，而且平头哥rvv0.71版本并不在上游支持的范围了。

如果直接写c函数，编译器能够自动优化并且自动向量化，这样才是最智能的方式。

首先需要开启rvv的扩展，并且在gcc编译器中使能rvv支持。这部分可以看我移植的rtt的代码实现。

直接看效果。

#include <riscv-vector.h>

vuint8m8_t test_auto_vand(vuint8m8_t a, vuint8m8_t b) 
{
    return a & b;
}

int main(void)
{
    vuint8m8_t aa = {0};
    vuint8m8_t bb = {0};
    test_auto_vand(aa,bb);
}

通过反汇编可以看到已经自动向量化了

一次性可以将一个数组的变量进行and操作。

这是一个很好的优化特性，如果做代码优化和速度优化，将会很实用。但是需要注意的是，硬件也应该开启rvv支持，否则编译器做了优化，而应该没有开启，会导致系统崩溃。

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

@smiletiger
如果是cache问题，那么就flush fb那一块的cache,帧率上不去，就用双缓冲buffer。cache一致性问题不一定是使用了dma。经过研究，在c906中，特别开启了O2优化，很多函数写法都会引起编译器自动优化调用thead自定义指令，虽然可以提高系统性能和速度，但是最好还是注意一下cache问题，另外就是内存不经过分配直接使用，可能会多出ebreak的指令操作。O0优化基本没这个问题，但是性能有所下降，你自己做取舍。

最近编辑记录 bigmagic (2022-01-27 10:07:56)

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

riscv编译器中，不同的选项组合对于系统性能的影响非常严重。我们往往会通过优化来进行code size和性能的提升，这里不仅仅涉及到内存访问速度，更多是底层算数或者逻辑操作的优化，这一点点优化空间对于系统的影响是非常大的。下面列出几个例子。以下测试都是基于开启O2优化后进行的测试。

https://github.com/bigmagic123/d1-nezha-rtthread/blob/main/bsp/d1-nezha/rtconfig.py

   DEVICE  = ' -march=rv64gcvxtheadc  -mabi=lp64d -mtune=c906 -fno-omit-frame-pointer '
   CFLAGS  = DEVICE + '  -ffreestanding -fno-common -ffunction-sections -fdata-sections -fstrict-volatile-bitfields '

-fno-omit-frame-pointer

开启这个选项，可以增加fp的功能，也就具备栈回溯的功能。

https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2019/lec/l-riscv.txt

其栈的分布如下：

Stack
                   .
                   .
      +->          .
      |   +-----------------+   |
      |   | return address  |   |
      |   |   previous fp ------+
      |   | saved registers |
      |   | local variables |
      |   |       ...       | <-+
      |   +-----------------+   |
      |   | return address  |   |
      +------ previous fp   |   |
          | saved registers |   |
          | local variables |   |
      +-> |       ...       |   |
      |   +-----------------+   |
      |   | return address  |   |
      |   |   previous fp ------+
      |   | saved registers |
      |   | local variables |
      |   |       ...       | <-+
      |   +-----------------+   |
      |   | return address  |   |
      +------ previous fp   |   |
          | saved registers |   |
          | local variables |   |
  $fp --> |       ...       |   |
          +-----------------+   |
          | return address  |   |
          |   previous fp ------+
          | saved registers |
  $sp --> | local variables |
          +-----------------+

同样写一个函数

unsigned long test_addsl(unsigned long b,unsigned long c)
{
  unsigned long a;
  a = b + (c << 2);
  return a;
}

当带有fno-omit-frame-pointer时，其生成的汇编如下：

00000000400000f0 <test_addsl>:
    400000f0:	1141                	addi	sp,sp,-16
    400000f2:	e422                	sd	s0,8(sp)
    400000f4:	0800                	addi	s0,sp,16
    400000f6:	6422                	ld	s0,8(sp)
    400000f8:	04b5150b          	addsl	a0,a0,a1,2
    400000fc:	0141                	addi	sp,sp,16
    400000fe:	8082                	ret
	...

如果不需要栈回溯，则不添加该指令

00000000400000d0 <test_addsl>:
    400000d0:	04b5150b          	addsl	a0,a0,a1,2
    400000d4:	8082                	ret
	...

可以看到优化很多，条指令，减少了内存读写次数。可见其优化的力度还是很大的。有时候费尽心力的去优化驱动提高性能，而再编译器层面，却一个选项就可以让性能提高非常大。

-ffunction-sections -fdata-sections

减少code size的选项，如果gcc选项中添加这个，将会让代码函数进行调用优化，如果没使用到的函数则不会被链接进去。并且函数的链接形式也会发生一些改变。
也就是说可能通过objdump再也通过函数名字找到某些函数的反汇编代码了。

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

f133 && d1 平头哥自定义扩展指令的调用与研究

想要发挥出riscv极致的性能特性，少不了对riscv指令的扩展，这里除了通用的bkpv指令的扩展外，c906也自己定义了自己的指令实现。这部分可以参考《玄铁C906_R1S0用户手册》，但是这部分的优化，要想使用的好，必须对gcc有一定的了解，由于平头哥、全志对这部分的资料如何使用，放出来的并不多，完全没法将其性能发挥到极致。作为gcc的开发者和研究者，对这部分可以做一个简单的说明。

文档说扩展指令必须在mxstatus.theadisaee==1时才能够执行，半精度指令在mstatus.fs!=2'00时才能正常执行，否则会产生非法指令的异常。这是硬件的限制，下面来看一下算数运算指令。

在编译器选项的优化中，需要开启O2优化，此时才能让编译器去优化特定的操作，例如

ADDSL

寄存器位移

rd <- rs1+rs2 << imm2

unsigned long test_addsl(unsigned long b,unsigned long c)
{
  unsigned long a;
  a = b + (c << 2);
  return a;
}

这个是一个很典型的位移后再加的操作。

如果不开启O2优化，采用O0优化，则生成汇编代码如下

000000004000c5a0 <test_addsl>:
    4000c5a0:	7179                	addi	sp,sp,-48
    4000c5a2:	f422                	sd	s0,40(sp)
    4000c5a4:	1800                	addi	s0,sp,48
    4000c5a6:	fca43c23          	sd	a0,-40(s0)
    4000c5aa:	fcb43823          	sd	a1,-48(s0)
    4000c5ae:	fd043783          	ld	a5,-48(s0)
    4000c5b2:	078a                	slli	a5,a5,0x2
    4000c5b4:	fd843703          	ld	a4,-40(s0)
    4000c5b8:	97ba                	add	a5,a5,a4
    4000c5ba:	fef43423          	sd	a5,-24(s0)
    4000c5be:	fe843783          	ld	a5,-24(s0)
    4000c5c2:	853e                	mv	a0,a5
    4000c5c4:	7422                	ld	s0,40(sp)
    4000c5c6:	6145                	addi	sp,sp,48
    4000c5c8:	8082                	ret

开启O2优化后，则gcc会对指令进行优化，采用平头哥自定义指令。

0000000040000500 <test_addsl>:
    40000500:	04b5150b          	addsl	a0,a0,a1,2
    40000504:	8082                	ret
	...

肉眼可见其优化力度了，这个目前在标准的riscv指令中就是B扩展，相信随着B扩展的稳定，在性能和code size上一定可以超过arm指令。

类似的还有

MULA
乘法累加
MULS
乘法累减

左移右移操作，FF快速查找等等。

这些并不需要使用者去写汇编指令，只需要开启编译选项，编译器会自动优化，这对于程序的执行效率将会非常大的影响。

需要注意的是，想要使用平头哥自定义的扩展指令，必须开启MXSTATUS的THEADISAEE位。

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

@smiletiger
开启优化选项，并且使能了平头哥的扩展指令集或者V扩展指令，就要注意代码的规范了，说不定就优化过度了（插入了一些特殊操作），目前平头哥的riscv gcc目前仍然在编程模型上有着一定的限制,并不会如arm编译器一样稳定，特别是开启优化后，就要十分注意了。可以通过empc地址跟踪一下函数的报错地方，看看反汇编是否正常。

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

E906的自动压栈机制

最近研究平头哥开源的gcc编译器，发现其针对MCU系列，也有硬件自动压栈指令

自动生成ipush和ipop的方式也有意思

匹配条件

-march=*xtheade*，开启O2优化

#include <string.h>
#include <stdio.h>

__attribute__((interrupt)) void func(void)
{
}

void main(void)
{
    func();
}

然后编译

riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv64gcxtheade  -mabi=lp64d  -ffreestanding -fno-common applications\test\test_thead.c -o aaa

反汇编该文件

000000000001018e <func>:
   1018e:	0040000b          	ipush
   10192:	1141                	addi	sp,sp,-16
   10194:	e422                	sd	s0,8(sp)
   10196:	1100                	addi	s0,sp,160
   10198:	0001                	nop
   1019a:	6422                	ld	s0,8(sp)
   1019c:	0141                	addi	sp,sp,16
   1019e:	0050000b          	ipop

这就意味着，在MCU层面，使用向量中断，不用考虑中断的压栈和出栈问题，大大提高MCU的实时性。该机制非常重要，但是对于D1这种高性能的MPU，并没有这种特性，更多的灵活性在编程者手中。

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

玄铁C900系列工具链更新了

https://occ.t-head.cn/community/download?id=3996672928124047360

终于更新到10.2版本了

Thread model: single
Supported LTO compression algorithms: zlib zstd
gcc version 10.2.0 (Xuantie-900 elf newlib gcc Toolchain V2.2.4 B-20211227)

很显然，平头哥内部还在积极的向上游的riscv gcc保持统一的，这对riscv发展来说是件好事。通过对其关注，发现平头哥确实在riscv gcc的上游rvv上提供了不少的patch。但是并非开放在xuantie gcc中，社区和内部还是有所保留。

https://github.com/riscv-collab/riscv-gcc/issues/320

There is a guy at rivai.ai who claims to be working on gcc rvv 1.0 support for mainline FSF gcc, so maybe in a few months we will have something usable. Rivai is in Shenzhen.

如果可能，是不是能够在今年见的完整的商业可用的riscv rvv指令支持呢？期待完成向量支持，这样riscv将会在桌面，AI，高性能上大有可为

bigmagic

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Re: MangoPi-MQ 麻雀D1s && D1 Nezha 裸机实验 && rtos实验

@zhong
编译器需要支持V扩展，另外编译器选项-march=rv64gcvxtheadc  -mabi=lp64d，其中的v表示告诉编译器开启v扩展指令