RISC-V学习笔记 | 单小艺的博客

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RISC-V指令集简略学习笔记

本文主要记录的是对riscv的学习笔记（什么废话）

ISA

Instruction Set Architecture，指令集架构，是硬件电路向上层软件程序提供的接口规范。其中包括了数据类型、寄存器、指令、寻址方法、中断处理等等。著名的ISA有x86、ARM、SPARC、MIPS、RISC-V等等。

IBM 360是第一台定义了指令集架构的机器（~~石头门也干了~~）

好处就是上层开发不用关心硬件的内部逻辑。

CISC与RISC

Complex Instruction Set Computing：复杂指令集，指令数目多，程序长度短。x86就是一种复杂指令集

Reduced Instruction Set Computing：精简指令集，指令个数少，程序长度长。

RISC-V可以通俗理解为精简指令集的一个版本,最早是用于教学目的。（~~经典大学出神人~~）

ISA的宽度

指的是CPU中通用寄存器的宽度，决定了寻址范围的大小。

值得注意的是，ISA的宽度与指令编码长度无关。

RISC-V ISA的命名规范

RV+数字（字宽，bit为单位）+字母（指令集模块集合）

如：RV32IMA、RV64GC等（特定组合IMAFD⇒G，通用指令集）

通用寄存器

pc（程序指针寄存器）在risc-v的是非暴露的，并不能通过指令集访问。

HART

Hardware Thread,硬件线程，

HART的概念类似于“处理器上的虚拟机”，与具体的指令执行流一一对应，而和真实处理器核数无关。一般不讨论真实处理器个数，只讨论HART个数。

特权级别（Privileged level）

由上到下用户权限逐渐升高，不同的级别下有不同的一套寄存器，低级别不能够跨级别访问高级寄存器

内存管理与保护

M级别下下访问的都是实际地址，不支持虚拟地址访问。

异常&中断

异常：遇到异常之后会执行异常处理程序，执行完会回到原来出错的指令

中断：遇到中断之后会执行中断处理程序，执行完之后会跳转到原指令的下一个指令

RISC-V 汇编语言编程

一个完整的的RISC-V汇编程序由多条语句（statement）组成。每条语句由[label:][operation][comment]三个部分组成（支持缺项，三个都缺就是空行）。

[label:]:任何以冒号结尾的都会被认为是标号，相当于是给地址起了个名字

[comment]:注释，以#开始的内容都会在程序执行时被忽略

[operation]:

instruction：指令，直接对应二进制字符串。

pseudo-instruction：伪指令，汇编器会将其翻译成多条实际指令。（提高编写效率）

directive：指示，以’.’开头，控制汇编器产生代码的方式等，不与实际指令相对应。不属于risc-v指令集的一部分，只与汇编器有关

macro：采用.macro/.endm自定义的宏（两个语句夹着的就是一个宏定义）

指令操作对象

寄存器：通用寄存器（RV32I对应的寄存器）共有32个，以x0~x31编号，其中x0不可写，读取时值恒为零，其他寄存器均可读可写，在RV架构上，Hart在执行算术运算和逻辑运算时，所操作的数据必须直接来自于寄存器。

内存：Hart可以执行寄存器和内存之间的数据读写操作，读写操作使用字节（Byte）为单位进行寻址。

指令编码格式

不同类型的type对应不同的field划分。

不同的指令格式（format）：R-Register、I-Immediate、S-Store、B-Branch、U-Upper、J-Jump

funct3/7的含义是对应的function占用3/7个bit位

查表：inst[1:0]代表这个域的第一和第零位始终唯一，在此基础上，结合横纵的数据确定具体的opcode，如10 011 11代表NMADD指令，在RISC-V手册中就有所有指令对应的编码格式与指令对照表。

小端序排列，较小的地址位于右侧

~~感觉这个东西只要规定好了就无所谓吧qwq~~

指令编写与应用

先放一个网上扒的程序在这里……

栈&堆

和学C语言时候的堆栈没啥区别，不如说实际上堆、栈的定义和使用啥语言本来就无关（~~什么爸爸像儿子~~）

栈区的管理是由程序自动进行的，函数结束就会把栈帧回收，栈区不算太大，如果递归调用太多或者函数内声明太多变量啥的就会爆栈（stackoverflow）在栈区的变量叫自动变量，不需要人为维护

堆区是程序运行时用于动态分配内存的区域。它在程序的生命周期内可以动态地分配和释放内存，适用于需要在运行时确定大小的数据结构。堆区在 RISC-V 编程中与其他架构中的作用相同，主要用于管理动态内存分配。

内存布局

典型的程序内存布局如下：

堆区位于栈区和 BSS 段之间，随着内存的动态分配和释放，堆区的大小可以动态变化。初始化过的全局变量啥的位于读写数据段（.data段）

示例代码

以下是一个简单的示例，展示了如何在 RISC-V 编程中使用堆区进行动态内存分配：

在这个示例中，malloc 函数用于在堆区动态分配一个整数数组，free 函数用于释放已分配的内存。

函数调用约定

函数调用时，所使用到的调用参数、返回地址、返回的参数或数据信息由谁声明、存储或管理，需要有Caller和Callee的约定。

有关寄存器的编程约定

有关函数跳转和返回指令的编程约定

有关被调用函数实现方式的编程约定

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