RISC-V

编译工具链

• 工具链仓库

  # 仓库地址
  https://github.com/riscv-collab/riscv-gnu-toolchain
  
  git clone https://github.com/riscv-collab/riscv-gnu-toolchain.git
  

• 显式添加默认的平台支持并附加特定的平台

  ./configure --prefix=/opt/riscv \
    --enable-multilib \
    --with-multilib-generator="rv64gc-lp64d--;rv64imac-lp64--;rv32gc-ilp32d--;rv32imac-ilp32--;rv32ima-ilp32--"
  

• 验证支持的多库组合

  riscv64-unknown-elf-gcc --print-multi-lib
  

RISC-V主要内容

1. ISA命名规范

   RV[###][abc...xyz]
   

   • RV用于标识RISC-V 。
   • [###]: {32, 64, 128} 用于标识处理器的字宽（寄存器的宽度）。
   • [abc...xyz]: 标识该处理器支持的指令集模块集合。

2. 模块化的ISA

   • RISC-V ISA = 1个基本整数指令集 + 多个可选的扩展指令集。

3. 通用寄存器

   • 定义了32个通用寄存器以及一个PC。
   • 寄存器宽度由ISA指定。
   • 每个寄存器具体编程时有特定的用途以及各自的别名。由RISC-V ABI定义。

4. Hart

   • HARdware Thread（相当于一个基本的CPU单元）

5. 特权级别

   • 机器模式（M Machine Mode）：最高权限，用于启动、配置硬件和异常处理。
   • 监督模式（S Supervisor Mode）：运行操作系统内核。
   • 用户模式（U User/Application Mode）：运行应用程序，权限受限。 （可选H Mode：支持虚拟化扩展的超监模式。）

6. Control and Status Registers(CSR)

   • 不同的特权级别下时分别对应各自的一套Register。
   • 高级别的特权级别下可以访问低级别的CSR。
   • RISC-V 定义了专门用于操作CSR的指令。
   • RISC-V 定义了特定的指令可以用于在不同特权级别之间进行切换。

7. 内存管理和保护（物理内存保护、虚拟内存）

   • 物理内存保护（Physical Memory Protection, PMP）
   • 虚拟内存 RISC-V 的虚拟内存（Virtual Memory）既依赖硬件支持，也依赖软件实现。其 ISA（指令集架构）提供了明确的硬件机制，包括特权模式、控制状态寄存器（CSR）和地址转换机制，而操作系统（如 Linux）则负责页表管理、缺页处理等软件层面的实现。

8. 异常和中断

   risc-v的大多数异常会中断返回后会再执行一次异常指令。而中断后本身返回后会执行下一条语句。

主机字节序

• 二进制码： 左高右底
• 内存布局： 上高下底
• 大端序： 高位二进制码存入底地址
• 小端序： 高位二进制码存入高地址
• risc-v使用小端序
• 注意：字节序是否反转以字节为单位，一个字节8位，8位内部不反转

risc-v 的6种指令格式

• R-Type: 用于寄存器间的算术逻辑运算（如 add x1, x2, x3）。
• I-Type: 用于立即数操作、加载指令和跳转（如 addi x1, x2, 5、lw x1, 4(x2)）。
• S-Type: 专用于存储指令到内存（如 sw x1, 8(x2)）。
• B-Type: 用于条件分支跳转（如 beq x1, x2, label）。
• U-Type: 用于将长立即数装入寄存器高位（如 lui x1, 0x12345）。
• J-Type: 用于无条件长跳转（如 jal x1, far_away_label）。

汇编相关命令

1. 编写汇编 nvim test.s
2. 编译 [rgcc] -march=[rv32im] -mabi=ilp32 -c test.s -o test.o
3. 链接 [rld] -m elf32lriscv -o test.elf test.o
4. 查看段头信息 [rreadelf] -S test.elf
5. 查看 .text 段原始内容 [rreadelf] -x .text test.elf
6. 反汇编所有段 [robjdump] -D test.elf
7. 反汇编代码段 [robjdump] -d test.elf
8. 展开所有伪指令 [robjdump] -d -M no-aliases test.elf

模拟器运行与调试

1. 模拟器运行程序。启动时暂停CPU等待GDB连接，默认1234端口。
   • qemu-system-riscv32 -nographic -smp 1 -machine virt -bios none -kernel kernel -S -s
   • -S 启动时暂停CPU，等待GDB的 continue 命令才开始执行
   • -s 是 -gdb tcp:127.0.0.1:1234 的缩写
2. 运行gdb [rgdb] test.elf
3. gdb连接远程1234端口 target remote : 1234
4. monitor quit 让QEMU立即停止运行
5. gdb运行参数 -q 安静模式，不显示介绍信息, -x <file> 执行指定文件中的 GDB 命令

示例代码

• makefile

  CROSS_COMPILE = riscv64-unknown-elf-
  CFLAGS = -nostdlib -fno-builtin -march=rv32im -mabi=ilp32 -g -Wall
  
  CC = ${CROSS_COMPILE}gcc
  OBJDUMP = ${CROSS_COMPILE}objdump
  
  QEMU = qemu-system-riscv32
  QFLAGS = -nographic -smp 1 -machine virt -bios none
  
  GDBINIT = gdbinit
  GDB = ${CROSS_COMPILE}gdb
  
  EXEC = test
  SRC = ${EXEC}.s
  
  all:
      @${CC} ${CFLAGS} ${SRC} -Ttext=0x80000000 -o ${EXEC}.elf
  
  run: all
      @${QEMU} ${QFLAGS} -kernel ./${EXEC}.elf
  
  debug: all
      @${QEMU} ${QFLAGS} -kernel ${EXEC}.elf -s -S &
      @${GDB} ${EXEC}.elf -q -x ${GDBINIT}
  
  clean:
      rm -rf *.o *.bin *.elf
  

• gdbinit

  # /z 十六进制显示寄存器中的值
  # 每一步都显示
  display/z $x5
  display/z $x6
  display/z $x7
  
  # 自动反汇编，每一步都反汇编
  set disassemble-next-line on
  b _start
  target remote : 1234
  c
  

RISC-V 常用指令和伪指令系统分类总结

算术运算指令

• 基本算术运算

指令	格式	功能描述
add	add rd, rs1, rs2	寄存器加法 (rd = rs1 + rs2)
sub	sub rd, rs1, rs2	寄存器减法 (rd = rs1 - rs2)
addi	addi rd, rs1, imm	立即数加法 (rd = rs1 + sign-extended imm)
mul	mul rd, rs1, rs2	有符号乘法 (RV32M/RV64M)
div	div rd, rs1, rs2	有符号除法 (RV32M/RV64M)

• 逻辑运算

指令	格式	功能描述
and	and rd, rs1, rs2	按位与
or	or rd, rs1, rs2	按位或
xor	xor rd, rs1, rs2	按位异或
andi	andi rd, rs1, imm	立即数按位与
ori	ori rd, rs1, imm	立即数按位或
xori	xori rd, rs1, imm	立即数按位异或

• 移位运算

指令	格式	功能描述
sll	sll rd, rs1, rs2	逻辑左移 (rd = rs1 << rs2[4:0])
srl	srl rd, rs1, rs2	逻辑右移
sra	sra rd, rs1, rs2	算术右移
slli	slli rd, rs1, shamt	立即数逻辑左移
srli	srli rd, rs1, shamt	立即数逻辑右移
srai	srai rd, rs1, shamt	立即数算术右移

数据传输指令

• 加载指令

指令	格式	功能描述
lb	lb rd, offset(rs1)	加载字节 (符号扩展)
lh	lh rd, offset(rs1)	加载半字 (符号扩展)
lw	lw rd, offset(rs1)	加载字 (32位)
ld	ld rd, offset(rs1)	加载双字 (RV64)
lbu	lbu rd, offset(rs1)	加载无符号字节
lhu	lhu rd, offset(rs1)	加载无符号半字
lwu	lwu rd, offset(rs1)	加载无符号字 (RV64)

• 存储指令

指令	格式	功能描述
sb	sb rs2, offset(rs1)	存储字节
sh	sh rs2, offset(rs1)	存储半字
sw	sw rs2, offset(rs1)	存储字
sd	sd rs2, offset(rs1)	存储双字 (RV64)

控制流指令

• 无条件跳转

指令	格式	功能描述
jal	jal rd, offset	跳转并链接 (rd = pc+4)
jalr	jalr rd, offset(rs1)	间接跳转并链接
j	j offset	直接跳转 (伪指令)

• 条件分支

指令	格式	功能描述
beq	beq rs1, rs2, offset	相等时分支
bne	bne rs1, rs2, offset	不等时分支
blt	blt rs1, rs2, offset	有符号小于时分支
bge	bge rs1, rs2, offset	有符号大于等于时分支
bltu	bltu rs1, rs2, offset	无符号小于时分支
bgeu	bgeu rs1, rs2, offset	无符号大于等于时分支

伪指令

• 常用伪指令

伪指令	实际指令	功能描述
nop	addi x0, x0, 0	空操作
mv rd, rs	addi rd, rs, 0	寄存器复制
not rd, rs	xori rd, rs, -1	按位取反
neg rd, rs	sub rd, x0, rs	取负值
j offset	jal x0, offset	无条件跳转
ret	jalr x0, 0(x1)	从子程序返回
call offset	auipc x1, offset[31:12] jalr x1, offset[11:0](x1)	调用远过程
tail offset	auipc x0, offset[31:12] jalr x0, offset[11:0](x0)	尾调用

• 地址加载伪指令

伪指令	实际指令	功能描述
la rd, symbol	auipc rd, symbol[31:12] addi rd, rd, symbol[11:0]	加载绝对地址
li rd, imm	根据立即数大小选择不同指令序列	加载立即数

系统指令

• CSR操作

指令	格式	功能描述
csrrw	csrrw rd, csr, rs1	CSR读后写
csrrs	csrrs rd, csr, rs1	CSR读后置位
csrrc	csrrc rd, csr, rs1	CSR读后清除
csrr	csrr rd, csr	CSR读 (伪指令 = csrrs rd, csr, x0)
csrw	csrw csr, rs1	CSR写 (伪指令 = csrrw x0, csr, rs1)

• 特权指令

指令	格式	功能描述
ecall	ecall	环境调用
ebreak	ebreak	断点
wfi	wfi	等待中断
mret	mret	从机器模式异常返回
sret	sret	从监管模式异常返回

原子操作指令 (A扩展)

指令	格式	功能描述
lr.w	lr.w rd, (rs1)	加载保留 (32位)
sc.w	sc.w rd, rs2, (rs1)	条件存储 (32位)
amoswap.w	amoswap.w rd, rs2, (rs1)	原子交换 (32位)
amoadd.w	amoadd.w rd, rs2, (rs1)	原子加 (32位)
amoand.w	amoand.w rd, rs2, (rs1)	原子与 (32位)

浮点指令 (F/D扩展)

• 基本浮点运算

指令	格式	功能描述
fadd.s	fadd.s rd, rs1, rs2	单精度浮点加
fsub.s	fsub.s rd, rs1, rs2	单精度浮点减
fmul.s	fmul.s rd, rs1, rs2	单精度浮点乘
fdiv.s	fdiv.s rd, rs1, rs2	单精度浮点除
fsqrt.s	fsqrt.s rd, rs1	单精度平方根

• 浮点转换

指令	格式	功能描述
fcvt.w.s	fcvt.w.s rd, rs1	单精度转有符号字
fcvt.s.w	fcvt.s.w rd, rs1	有符号字转单精度

RISC-V 32位寄存器分类说明

基础寄存器（x0-x31）

寄存器	别名	用途	调用约定	说明
x0	zero	硬编码零	-	读取始终为0，写入无效
x1	ra	返回地址	Caller	存储函数返回地址
x2	sp	栈指针	Callee	当前栈指针
x3	gp	全局指针	-	指向全局数据区
x4	tp	线程指针	-	线程局部存储
x5	t0	临时寄存器	Caller	临时数据
x6	t1	临时寄存器	Caller	临时数据
x7	t2	临时寄存器	Caller	临时数据
x8	s0/fp	保存寄存器/帧指针	Callee	函数帧指针
x9	s1	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x10	a0	函数参数/返回值	Caller	第一个参数/返回值
x11	a1	函数参数/返回值	Caller	第二个参数/返回值
x12	a2	函数参数	Caller	第三个参数
x13	a3	函数参数	Caller	第四个参数
x14	a4	函数参数	Caller	第五个参数
x15	a5	函数参数	Caller	第六个参数
x16	a6	函数参数	Caller	第七个参数
x17	a7	函数参数	Caller	第八个参数
x18	s2	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x19	s3	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x20	s4	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x21	s5	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x22	s6	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x23	s7	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x24	s8	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x25	s9	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x26	s10	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x27	s11	保存寄存器	Callee	跨调用保存
x28	t3	临时寄存器	Caller	临时数据
x29	t4	临时寄存器	Caller	临时数据
x30	t5	临时寄存器	Caller	临时数据
x31	t6	临时寄存器	Caller	临时数据

按功能分类

1. 特殊功能寄存器

类别	寄存器	别名	主要用途
控制寄存器	x0	zero	常数零值
栈指针	x2	sp	栈操作
链接寄存器	x1	ra	函数返回
全局指针	x3	gp	全局数据访问
线程指针	x4	tp	线程局部存储

2. 参数传递寄存器

用途	寄存器	数量	说明
参数传递	a0-a7 (x10-x17)	8个	函数调用参数
返回值	a0-a1 (x10-x11)	2个	函数返回值

3. 临时寄存器（调用者保存）

类型	寄存器	数量	说明
临时寄存器	t0-t2 (x5-x7)	3个	短期临时数据
临时寄存器	t3-t6 (x28-x31)	4个	短期临时数据
小计	t0-t6	7个	调用者负责保存

4. 保存寄存器（被调用者保存）

类型	寄存器	数量	说明
帧指针	s0/fp (x8)	1个	栈帧指针
保存寄存器	s1-s11 (x9-x27)	11个	跨调用保持
小计	s0-s11	12个	被调用者负责保存

调用约定总结

Caller-Saved（调用者保存）

• 临时寄存器: t0-t6 (x5-x7, x28-x31)
• 参数寄存器: a0-a7 (x10-x17)
• 返回地址: ra (x1)

Callee-Saved（被调用者保存）

• 保存寄存器: s0-s11 (x8-x27)
• 栈指针: sp (x2) - 通常由硬件维护

汇编代码中的使用示例

# 函数调用示例
func:
    addi sp, sp, -16     # 分配栈空间
    sw   ra, 12(sp)      # 保存返回地址 (Caller-saved, 但被调用者保存)
    sw   s0, 8(sp)       # 保存s0 (Callee-saved)

    mv   s0, a0          # 保存参数到s0
    li   t0, 100         # 使用临时寄存器t0

    # 函数体...

    lw   s0, 8(sp)       # 恢复s0
    lw   ra, 12(sp)      # 恢复返回地址
    addi sp, sp, 16      # 释放栈空间
    ret                  # 返回到ra地址

重要说明

1. RV32与RV64寄存器：寄存器编号和别名相同，只是位宽不同（32位 vs 64位）
2. 压缩指令：某些指令只能访问x8-x15寄存器（更短的编码）
3. ABI名称：在汇编代码中建议使用ABI名称（如a0而不是x10）提高可读性

CSR（控制状态寄存器）分类表格

CSR 地址空间布局

地址范围	特权级	描述	示例
0x000-0x0FF	机器模式	机器信息寄存器	mhartid, mstatus
0x300-0x3FF	机器模式	机器模式控制和状态	mtvec, mepc
0x700-0x7FF	机器模式	机器模式计数器	mcycle, minstret
0x800-0x8FF	监管模式	监管模式CSR	stvec, sepc
0xC00-0xCFF	用户模式	用户模式CSR	cycle, time
0x1000-0x1FFF	自定义	厂商自定义	实现特定功能

重要的机器模式（M-mode）CSR

CSR名称	地址	读写权限	功能描述
mhartid	0xF14	RO	硬件线程ID（核心编号）
mstatus	0x300	RW	机器模式状态寄存器
misa	0x301	RO	ISA信息（架构特性）
medeleg	0x302	RW	异常委托给监管模式
mideleg	0x303	RW	中断委托给监管模式
mie	0x304	RW	机器模式中断使能
mtvec	0x305	RW	陷阱向量基地址
mcounteren	0x306	RW	计数器使能
mscratch	0x340	RW	机器模式临时存储
mepc	0x341	RW	异常程序计数器
mcause	0x342	RW	异常原因
mtval	0x343	RW	陷阱值（错误地址等）
mip	0x344	RW	机器模式中断等待

计数器相关CSR

CSR名称	地址	特权级	功能描述
mcycle	0xB00	M	机器周期计数器（低32位）
mcycleh	0xB80	M	机器周期计数器（高32位）
minstret	0xB02	M	退休指令计数器（低32位）
minstreth	0xB82	M	退休指令计数器（高32位）
cycle	0xC00	U	用户模式周期计数器
time	0xC01	U	实时时钟计数器
instret	0xC02	U	用户模式指令计数器

CSR 访问指令

指令格式	功能	示例	描述
csrr rd, csr	读CSR	csrr t0, mhartid	读取CSR到寄存器
csrw csr, rs	写CSR	csrw mtvec, t0	将寄存器写入CSR
csrs csr, rs	置位CSR	csrs mie, t0	将寄存器中为1的位在CSR中置位
csrc csr, rs	清零CSR	csrc mie, t0	将寄存器中为1的位在CSR中清零
csrwi csr, imm	立即数写	csrwi mstatus, 0	用立即数写CSR
csrsi csr, imm	立即数置位	csrsi mie, 0x8	用立即数置位CSR
csrci csr, imm	立即数清零	csrci mie, 0x8	用立即数清零CSR

内存映射关系

RISC-V 系统内存视图：

+-------------------+ 高地址
|    内存映射I/O     |
|   (设备寄存器)     |
+-------------------+
|    主内存         |
|   (DRAM)          |
+-------------------+
|    CSR空间        |  ← 通过csr指令访问，不在常规内存中
|   (控制状态寄存器) |     独立于32个通用寄存器
+-------------------+ 低地址

重要特性总结

1. 独立空间：CSR与32个通用寄存器(x0-x31)完全独立
2. 特权分级：不同特权级别(M/S/U)可访问的CSR不同
3. 硬件直接实现：由CPU硬件提供，不是内存映射
4. 系统控制：用于中断、异常、内存管理、性能计数等
5. 原子操作：CSR指令提供原子读-修改-写操作

使用示例

# 读取当前核心ID
csrr a0, mhartid

# 设置陷阱向量表
la t0, trap_handler
csrw mtvec, t0

# 启用机器模式中断
li t0, 0x8
csrs mie, t0

# 保存/恢复临时数据
csrw mscratch, sp  # 保存sp到mscratch
csrr sp, mscratch  # 从mscratch恢复sp

CSR是RISC-V架构中用于系统控制和状态监控的核心机制，对于操作系统和底层开发至关重要。