香山CPU（国产开源）的 SoC SDK底层程序编写，以及其它开源SoC芯片介绍

才鲸嵌入式2025-12-20 10:08

香山CPU（国产开源）的 SoC SDK底层程序编写，以及其它开源SoC芯片介绍

  • 目的是用C语言在以香山开源CPU核为基础的开源SoC芯片的硬件平台上，编写完整的裸机SDK、RTOS驱动、Linux驱动。限于当前香山CPU还没有完整的开源SoC，没有外设模块，前期会借鉴蜂鸟E203、玄铁CH2601、OpenTitan、SiFive Freedom E310等带外设的开源SoC的模块寄存器来编写程序。因为没有香山CPU的开发板，程序都会运行在NEMU或QEMU模拟器上。

  • 香山开源CPU核的开发商是北京开源芯片研究院 ，目标是打造开源RISC-V产业生态，但现在才初步开始，并没有一款带所有外设的开源SoC，也没有开发板出售，当前的主线项目还只有香山CPU核；

作者 将狼才鲸
创建时间 2025-12-18

一、前言

  • 困扰：换过几家公司，用过几种芯片，它们有着不同的CPU核，不同的外设寄存器，不同的协议栈代码（例如8051、ARM Cortex-M、ARM Cortex-A、Xtensa、TI C66x、AVR），总是做一些重复性工作。既然芯片总是换来换去，代码没有延续性，反正都是要换的，为何不干脆针对一款普及最广的开源CPU IP核以及开源SoC芯片写一些底层代码呢？这样利用空余时间还能不断迭代代码，学习一些新思路。

    • 这些底层SDK代码原本是会由芯片厂商提供的，也就是由芯片厂商里的嵌入式软件工程师编写。但是当前并没有专门提供可商用开源SoC芯片的公司，所以我准备选一个CPU核写一点。
    • 因此这个学习型仓库的受众是芯片厂商的嵌入式软件工程师（SDK、中间件、操作系统移植、驱动），一般公司的嵌入式驱动软件工程师，以及对底层工作内容感兴趣的嵌入式应用软件工程师。

  • 基于上述目的搜索了一下可用的硬件平台；

    • 开源的CPU指令集：RISC‑V（使用最多）、OpenRISC、SPARC V8/V9、MIPS开源版本、OpenSPARC、OpenPOWER、MIPS Open、LatticeMico32、WARP‑V、MOR1KX；
    • 开源的CPU核（IP）：香山（国产）、玄铁C906/C910（国产）、wujian100_open/玄铁CH2601（国产）、VexRiscv、PicoRV32、Rocket、BlackParrot、OpenRio、CV32E40P、NEORV32、Ibex、CVA6、Ariane、BOOM、CV32E40P、darkriscv、Hummingbirdv2 E203、木心处理器、Sodor、YARVI、Pulpino、GRVI Phalanx、SweRV EH1、PicoRio、RISCY；
      • 里面有很多是用在FPGA上，或者仅供研究无法商用，或者不再更新迭代的；
    • 开源的MCU/SoC（CPU+总线+外设）：蜂鸟Hummingbird E203（国产，偏教学）、LiteX（适配多种CPU核，SoC生成器）、Freedom E310、OpenTitan、X-HEEP、Sodor SoC、OpenPiton、NEORV32、IOb-SoC、PicoRV32 + PicoSoC、VexRiscv + Murax、Rocket Chip、PULPino；
      • 基本上都是用在FPGA上，或者仅供研究无法商用，或者不是通用MCU的
    • 最终选定香山CPU核，再融合其它开源SoC里的模块，在QEMU模拟器上运行代码。

  • 香山CPU核资料：

  • 挑战：香山是高性能CPU，本意是为服务器芯片、AI芯片、GPU、DPU、工业控制、能源、医疗、汽车、通信和机器人应用场景设计，而不是为嵌入式场景设计的，所以为了在SoC上集成USB、网络、串口、SPI、I2C、SD、2D等开源IP核，还要想些办法，主要是把开源外设模块的寄存器实现移植到QEMU的模拟器中去

  • 已商用的产品：

  • 阿里达摩院平头哥玄铁开源了E902、E906、C906、C9104四款量产处理器IP核，其中E系列为MCU级别的；

  • 蜂鸟E203 SoC资料：

  • LiteX SoC资料

二、资料阅读

三、NEMU模拟器运行实践

  • 我使用的平台是VMware17.5.2虚拟机 + Ubuntu20.04系统
  • 记住：以下所有export注册环境变量都是临时的！命令行终端关闭后就失效了，如果要永久生效，请手动添加到~/.bashrc中，并source ~/.bashrc
1. NEMU模拟器的安装与香山CPU裸机程序运行
  • 参考：NEMU 使用指南
  • 下载源码：git clone https://gitee.com/OpenXiangShan/NEMU.git
  • 进入NEMU仓库所在位置，执行export NEMU_HOME=$(pwd)
  • make riscv64-xs_defconfig
    • 期间会从GitHub下载子模块
    • 需要先安装SDL2：sudo apt install libsdl2-2.0-0 libsdl2-dev，如果有冲突则使用sudo aptitude install libsdl2-2.0-0 libsdl2-dev，第一步输入N，后续一路输入Y解决冲突
    • 需要先安装readline库：sudo apt install libreadline8 libreadline-dev
    • 需要先安装zstd 库：sudo apt install libzstd1 libzstd-dev
  • make -j4
shell 复制代码 
jim@virtual-pc:~/nemu$ make -j4
+ CC src/nemu-main.c
.
+ CXX src/memory/store_queue_wrapper.cpp
+ g++ /home/jim/nemu/build/riscv64-nemu-interpreter
jim@virtual-pc:~/nemu$
shell 复制代码 
jim@virtual-pc:~/nexus-am/apps/hello$ ~/nemu/build/riscv64-nemu-interpreter ~/nexus-am/apps/hello/build/hello-riscv64-xs.bin
[src/isa/riscv64/init.c:234,init_isa] NEMU will start from pc 0x80000000
[src/device/io/port-io.c:35,add_pio_map_with_diff] Add port-io map 'uartlite' at [0x00000000000003f8, 0x0000000000000404]
[src/device/io/port-io.c:35,add_pio_map_with_diff] Add port-io map 'screen' at [0x0000000000000100, 0x0000000000000107]
[src/device/io/port-io.c:35,add_pio_map_with_diff] Add port-io map 'keyboard' at [0x0000000000000060, 0x0000000000000063]
[src/device/sdcard.c:137,init_sdcard] Can not find sdcard image: 
[src/monitor/image_loader.c:204,load_img] Loading image (checkpoint/bare metal app/bbl) from cmdline: /home/jim/nexus-am/apps/hello/build/hello-riscv64-xs.bin

[src/monitor/image_loader.c:260,load_img] Read 7048 bytes from file /home/jim/nexus-am/apps/hello/build/hello-riscv64-xs.bin to 0x0x776dee614000
[src/monitor/monitor.c:63,welcome] Debug: OFF
[src/monitor/monitor.c:68,welcome] Build time: 01:01:30, Dec 20 2025
Welcome to riscv64-NEMU!
For help, type "help"
(nemu) c
Hello Xiangshan!
这是裸机程序输出的字符串！
[/home/jim/nemu/src/isa/riscv64/include/../instr/special.h:38,execute] nemu_trap case 0
[src/cpu/cpu-exec.c:938,cpu_exec] nemu: HIT GOOD TRAP at pc = 0x0000000080000060
[src/cpu/cpu-exec.c:944,cpu_exec] trap code:0
[src/cpu/cpu-exec.c:155,monitor_statistic] host time spent = 7,328 us
[src/cpu/cpu-exec.c:157,monitor_statistic] total guest instructions = 1,456
[src/cpu/cpu-exec.c:158,monitor_statistic] vst count = 0, vst unit count = 0, vst unit optimized count = 0
[src/cpu/cpu-exec.c:161,monitor_statistic] simulation frequency = 198,689 instr/s
(nemu) q
[src/utils/state.c:30,is_exit_status_bad] NEMU exit with good state: 2, halt ret: 0
jim@virtual-pc:~/nexus-am/apps/hello$
2. 交叉编译工具的获取

  • 交叉编译工具链说明

    • riscv64-linux-gnu- 用于Linux
    • riscv64-unknown-linux-gnu- 用于Linux
    • riscv64-unknown-elf- 用于嵌入式，裸机
    • 三款处理器指令集默认均为 RV64GC
    • 香山处理器南湖架构支持 RV64GCBK 扩展

  • 获取预编译好的夜间版本(预编译版本，不需要自行从源码编译)

    • riscv64-elf-ubuntu-20.04-gcc-nightly-2024.04.12-nightly.tar.gz
    • riscv64-glibc-ubuntu-20.04-gcc-nightly-2024.04.12-nightly.tar.gz

  • 将下载到的 2 个 tar.gz 文件解压到 /opt，并把 /opt/riscv/bin 添加到 PATH 中。

    • sudo tar -xzf riscv64-elf-ubuntu-20.04-gcc-nightly-2024.04.12-nightly.tar.gz -C /opt
    • sudo tar -xzf riscv64-glibc-ubuntu-20.04-gcc-nightly-2024.04.12-nightly.tar.gz -C /opt
    • export PATH=/opt/riscv/bin:$PATH

  • 完成后，通过以下命令检查安装是否成功：

    • riscv64-unknown-linux-gnu-gcc --version
    • riscv64-unknown-linux-gnu-g++ --version
    • riscv64-unknown-linux-gnu-gfortran --version
    • riscv64-unknown-linux-gnu-objdump --version
    • riscv64-unknown-linux-gnu-gdb --version
    • riscv64-unknown-elf-gcc --version
    • riscv64-unknown-elf-g++ --version
    • riscv64-unknown-elf-objdump --version
    • riscv64-unknown-elf-gdb --version
3. 使用AM运行时库编译裸机程序

  • 基于 AM 构建自定义裸机工作负载

  • 在~家目录获取AM源码：git clone https://gitee.com/OpenXiangShan/nexus-am.git

  • export AM_HOME=~/nexus-am

  • export CROSS_COMPILE=/opt/riscv/bin/riscv64-unknown-elf- 不知道为什么改了这一步后编译还是提示riscv64-linux-gnu-gcc找不到，因此用蠢办法强行解决：

    • cp /opt/riscv/bin/riscv64-unknown-elf-gcc /opt/riscv/bin/riscv64-linux-gnu-gcc 这是为了解决后面编译时报错，并且要用错误的编译器工具名称编出非Linux系统的裸机程序
    • cp /opt/riscv/bin/riscv64-unknown-elf-ld /opt/riscv/bin/riscv64-linux-gnu-ld
    • cp /opt/riscv/bin/riscv64-unknown-elf-objdump /opt/riscv/bin/riscv64-linux-gnu-objdump
    • cp /opt/riscv/bin/riscv64-unknown-elf-objcopy /opt/riscv/bin/riscv64-linux-gnu-objcopy

  • cd ~/nexus-am/apps

  • mkdir hello

  • cd hello

  • vim Makefile

    • 加入内容：
makefile 复制代码 
NAME = hello
SRCS = $(shell find -L ./src/ -name "*.c")
include $(AM_HOME)/Makefile.app
  • mkdir src
  • vim src/hello.c
    • 加入内容：
c 复制代码 
#include <klib.h>

int main() {
  printf("Hello Xiangshan!\n");
  printf("这是裸机程序输出的字符串！\n");
  return 0;
}
  • make ARCH=riscv64-xs
shell 复制代码 
jim@virtual-pc:~/nexus-am/apps/hello$ make ARCH=riscv64-xs
# Building hello [riscv64-xs] with AM_HOME {/home/jim/nexus-am}
# Building lib-am [riscv64-xs]
+ AS src/nemu/common/mainargs.S
+ AR -> build/am-riscv64-xs.a
# Building lib-klib [riscv64-xs]
# Creating binary image [riscv64-xs]
+ LD -> build/hello-riscv64-xs.elf
+ OBJCOPY -> build/hello-riscv64-xs.bin
jim@virtual-pc:~/nexus-am/apps/hello$
  • 如果上面编译流程报错可以参考下面的流程：
  • 用NEMU运行裸机程序的命令 ~/nemu/build/riscv64-nemu-interpreter ~/nexus-am/apps/hello/build/hello-riscv64-xs.bin
4. 编译Linux、rootfs、设备树、OpenSBI获取可执行文件
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