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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。

    • 软件中断（本地中断）
    • 时钟中断（本地中断）
    • 外设中断（全局中断）
    • 涉及中断的CSR（mtvec, mepc，mcause, mtval, mstatus, mscratch, mie, mip, mtime, mtimecmp）

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

  6. 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