目錄

• • 什么是RISC-V
  • RISC-V 發展
  • RISC-V指令集
  • RISC-V特權架構
  • RISC-V通用寄存器
  • RISC-V CSR寄存器
  • • M模式CSR寄存器
    • S模式CSR寄存器
  • 總結

筆者學習RISC-V架構有一段時間了，總結了一下入門RISC-V的一些必備知識點。

什么是RISC-V

大家聽過最多的處理器架構可能就是x86和ARM，x86架構主要用在PC端，ARM主要用在移動終端。學習嵌入式的小伙伴肯定都知道ARM，但是ARM是國外的，設計一款ARM架構的芯片，需要經過ARM公司的授權，同時會產生一些費用，這也帶來了一個問題：假如有一天ARM公司不授權怎么辦？

RISC-V架構就是為了解決這個問題的！RISC-V最早在2010年起源于加州大學伯克利分校，由于受夠了現有處理器架構的復雜性和相關知識產權的限制，伯克利大學決定發明一種全新的、簡單且開放免費的指令集架構。

從名字可以看出，RISC-V就是RISC的第五代指令集架構。而RISC-V目標就是“成為一種完全開放的指令集架構，可被任何學術機構或商業組織自由使用”。

RISC-V 發展

2015年成立了RISC-V基金會，這是個非營利性組織，主要為了維護和發展RISC-V。

目前RISC-V的IP供應商大部分是國內的廠商，例如sifive、阿里平頭哥、Andes等等。而基于RISC-V架構設計的芯片廠商也基本是國內的。

可見，基于RISC-V架構設計的芯片，沒有了像ARM需要授權等多方面的限制，可以做到自主可控。但由于RISC-V還處于發展的階段，還有許多不完善的地方，有傳言未來可能會形成x86、ARM、RISC-V三足鼎立的天下，但能夠形成這個局面，還需要大家的共同努力。

RISC-V指令集

RISC-V指令集由“基本指令集 + 擴展指令集”組成。基本指令集是必選的，擴展指令集是可選的。意思就是可以根據你的實際需求，選擇需要使用的指令。例如在一個項目中，如果不需要用到壓縮指令，那么就不需要把壓縮指令添加進來，從而做到定制化，這也是RISC-V的一大特點。

RISC-V指令集有RV32I、RV32E、RV64I、RV64E、RV64I等等，RV代表RISC-V，32/64代表32位或64位，I和E都是基本指令集，在I和E的基礎上，可以添加D（雙精度浮點擴展）、M（整數乘除法）、A（原子擴展）、C（壓縮擴展）等擴展指令。例如，在RV64I基礎上，添加原子、整數乘除法、雙精度浮點、壓縮指令，則該指令集稱為RV64IMADC。

基本指令集和擴展指令集描述如下：

RISC-V特權架構

ARM有7種工作模式，而RISC-V也有不同的模式，這些模式在RISC-V中也被稱為特權架構。

RISC-V總共有四種模式，分別是U、S、H和M模式： U模式被編碼為00，S模式編碼為01，H模式編碼為10，M模式編碼為11。Level越高，等級越高。等級越高，擁有的訪問權限也更高。按照特權等級，有高到低依次為M、H、S、U。

上圖中編碼為10的模式是保留的，這個模式實際上就是H模式，H模式是用作虛擬化，但是目前RISC-V對虛擬化還不太完善，基本不支持。因此上圖并沒有將H模式標出來，而是作為保留。也正是因此，有人經常將RISC-V的模式說成三種U、S和M。

• U模式：User，用戶模式
• S模式：Supervisor，監管者模式
• M模式：Machine，機器模式

以RISC-V Linux為例，Linux應用程序處于U模式，Linux內核/uboot處于S模式，M模式則是OpenSBI。M模式擁有最高訪問權限，Linux內核如果要訪問CSR寄存器，則必須由S模式切換到M模式，由OpenSBI讀取CSR寄存器，然后將數據返回給內核。

M模式是必須要選擇的，RISC-V的裸機代碼都運行在M模式下。

RISC-V通用寄存器

寄存器ABI名稱說明

x0	zero	0值寄存器，硬編碼為0，寫入數據忽略，讀取數據為0
x1	ra	用于返回地址（return address）
x2	sp	用于棧指針（stack pointer）
x3	gp	用于通用指針（global pointer）
x4	tp	用于線程指針
x5	t0	用于存放臨時數據或者備用鏈接寄存器
x6~x7	t1~t2	用于存放臨時數據寄存器
x8	s0/fp	需要保存的寄存器或者幀指針寄存器
x9	s1	需要保存寄存器
x10~x11	a0~a1	函數參數或者返回值寄存器
x12~x17	a2-a7	函數傳遞參數寄存器
x18~x27	s2-s11	需要保存的寄存器
x28~x31	t3~t6	用于存放臨時數據寄存器

RISC-V有x0_{x31共32個通用寄存器，每個通用寄存器都有各自的用途，例如x2是作為sp棧指針、a0}a1用來保存函數參數或返回值。x0寄存器被硬編碼為了0，就是個0值寄存器。

ABI名稱相當于這些通用寄存器的別名，在RISC-V匯編當中，都使用ABI名稱來代表這些寄存器。

RISC-V CSR寄存器

CSR是控制狀態寄存器，RISC-V中CSR寄存器，需要使用csrr、csrw、csrrw等特定指令進行訪問。

RISC-V的CSR寄存器，M模式和S模式都有自己的寄存器，但是大體上相同。下面列舉一些常用的CSR

M模式CSR寄存器

mstatus

狀態寄存器，保存了全局中斷使能狀態和其他狀態，例如切換模式前，保存當前模式。

mtvec

異常入口基地址寄存器。保存發生異常時需要跳轉的地址。

medeleg和mideleg

? medeleg是異常委托，mideleg是中斷委托。例如，在M模式下發生異常或中斷時，可以通過這兩個寄存器，將中斷/異常交給S模式或者其他模式處理。

mip和mie

mie是中斷使能寄存器，對需要使能的中斷，在對應位使能。

mip是中斷等待寄存器，表示目前正準備處理的中斷。

hpm

全稱Hardware Performance Monitor，硬件性能單元，用于性能計數。包括了兩類寄存器：mhpmcounter和mhpmevent

• ? mhpmcounter：性能計數器
• ? mhpmevent：用于配置性能事件

mcounteren和mcountinhibit

這兩個也是是hpm相關的寄存器，主要用于控制hpm的使能、計數禁止。

• ? mcounteren：計數器使能
• ? mcountinhibit：禁止計數

mscratch

用于保存M模式指向hart上下文的指針,并在進入M模式的處理程序時，和用戶寄存器交換。

mepc

發生中斷時，當前程序的PC值，保存在mepc中，中斷返回時，會從mepc讀取PC值。

mcause

? 用于保存發生中斷或異常的情況，中斷和異常描述如下：

1代表中斷，0代表異常，每個異常/中斷都有對應的編碼值，通過mcause的值，可以很清楚的知道發生了什么中斷或異常，特別在調試過程，mcause發揮了很大作用。

mvtal

異常值寄存器，例如發生異常時，保存出錯的地址。

S模式CSR寄存器

S模式的CSR和M模式基本上是一樣的，只不過將第一個字母m改為了s，例如mcause改為了scause，mvtal改為了svtal。它們的功能基本相同，這里就不再贅述了。

需要注意的是，S模式除了擁有M模式相同功能的CSR外，另外還增加了一個stap寄存器。

stap寄存器主要是給MMU使用，stap寄存器保存了頁表的基地址，MMU通過stap可以找到第一級頁表，進而找到物理地址。stap寄存器涉及到的內容比較多，關于stap相關內容，以后會詳細展開講講。

總結

以上就是入門RISC-V需要掌握的基本知識，主要還是一些寄存器的作用和特權架構。內容不多，比較基礎，但是要真正掌握RISC-V，還需要多看一下匯編代碼和裸機代碼，才能深刻理解每個寄存器的作用以及不同特權架構下的區別，本文主要是RISC-V入門知識的總結。

原文鏈接: RISC-V 入門筆記（新手必看）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的RISC-V入门笔记（新手必看！）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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