RISC-V 汇编

用途

指导代理学习 RISC-V 汇编编程：RV32/RV64 指令集、寄存器命名与调用约定（psABI）、ISA 扩展命名、使用 GCC/Clang 编写内联汇编、压缩（RVC）指令，以及基于 QEMU 的仿真与 GDB 远程调试。

触发场景

• "如何编写 RISC-V 汇编？"
• "RISC-V 调用约定寄存器有哪些？"
• "如何在 C 中为 RISC-V 使用内联汇编？"
• "RISC-V 扩展字母代表什么（IMAFD）？"
• "如何使用 QEMU 仿真 RISC-V？"
• "如何使用 GDB 调试 RISC-V 代码？"

工作流程

1. 寄存器文件与调用约定

RISC-V 有 32 个整数寄存器（x0–x31），带有 ABI 名称：

寄存器	ABI 名称	用途	由谁保存
x0	zero	硬连线零	—
x1	ra	返回地址	调用者
x2	sp	栈指针	被调用者
x3	gp	全局指针	—
x4	tp	线程指针	—
x5–x7	t0–t2	临时寄存器	调用者
x8	s0/fp	帧指针	被调用者
x9	s1	保存寄存器	被调用者
x10–x11	a0–a1	参数 / 返回值	调用者
x12–x17	a2–a7	参数	调用者
x18–x27	s2–s11	保存寄存器	被调用者
x28–x31	t3–t6	临时寄存器	调用者

浮点寄存器（F 扩展）：f0–f31（参数使用 fa0–fa7）。

2. 基本指令

# 算术（R 型和 I 型）
add   a0, a1, a2      # a0 = a1 + a2
sub   a0, a1, a2      # a0 = a1 - a2
addi  a0, a1, 42      # a0 = a1 + 42（立即数）
mul   a0, a1, a2      # a0 = a1 * a2（M 扩展）
div   a0, a1, a2      # 有符号除法（M 扩展）
rem   a0, a1, a2      # 取余（M 扩展）

# 逻辑
and   a0, a1, a2      # 按位与
or    a0, a1, a2      # 按位或
xor   a0, a1, a2      # 按位异或
sll   a0, a1, a2      # 逻辑左移
srl   a0, a1, a2      # 逻辑右移（无符号）
sra   a0, a1, a2      # 算术右移（有符号）

# 加载 / 存储
lw    a0, 0(sp)       # 加载字（32 位）
ld    a0, 0(sp)       # 加载双字（64 位，RV64）
lh    a0, 4(sp)       # 加载半字（符号扩展）
lbu   a0, 8(sp)       # 加载字节（零扩展）
sw    a0, 0(sp)       # 存储字
sd    a0, 0(sp)       # 存储双字（RV64）

# 分支（比较并跳转）
beq   a0, a1, label   # 相等则跳转
bne   a0, a1, label   # 不等则跳转
blt   a0, a1, label   # 有符号小于则跳转
bltu  a0, a1, label   # 无符号小于则跳转
bge   a0, a1, label   # 有符号大于等于则跳转

# 跳转
j     label           # 无条件跳转（伪指令：jal x0, label）
jal   ra, func        # 跳转并链接（调用）
jalr  zero, ra, 0     # 跳转到 ra（返回：伪指令 ret）

3. 最简函数（psABI 调用约定）

.section .text
.global add_numbers
# int add_numbers(int a, int b);  — a 在 a0，b 在 a1，返回值在 a0
add_numbers:
    add   a0, a0, a1   # 结果 = a + b
    ret                # 返回（jalr zero, ra, 0）

.global factorial
# long factorial(int n);  — n 在 a0
factorial:
    addi  sp, sp, -16      # 分配栈帧
    sd    ra, 8(sp)        # 保存返回地址（RV64）
    sd    s0, 0(sp)        # 保存 s0（被调用者保存）

    mv    s0, a0           # s0 = n
    li    a0, 1            # 默认返回 1
    blez  s0, .done        # 若 n <= 0，返回 1

    addi  a0, s0, -1      # a0 = n - 1
    call  factorial        # 递归调用：factorial(n-1)
    mul   a0, a0, s0       # a0 = 结果 * n

.done:
    ld    ra, 8(sp)        # 恢复 ra
    ld    s0, 0(sp)        # 恢复 s0
    addi  sp, sp, 16       # 释放栈帧
    ret

4. ISA 扩展命名

RISC-V 扩展以字符串形式附加在基础 ISA 之后：

字母	扩展	描述
I	Integer	基础 32/64 位整数（RV32I, RV64I）
M	Multiply	整数乘除法
A	Atomic	原子内存操作（lr/sc, AMO）
F	Float	单精度浮点
D	Double	双精度浮点
C	Compressed	16 位压缩指令
G	General	= IMAFD（简写）
V	Vector	向量指令（SIMD）
Zicsr	CSR	控制/状态寄存器访问
Zifencei	Fence.i	指令预取屏障
Zba/Zbb/Zbc/Zbs	位操作	位操作指令（B 扩展集）
Ztso	TSO	全序存储内存模型

常用目标：

• 嵌入式：rv32imac — 无浮点，有原子操作和压缩指令
• Linux 应用：rv64gc — 完整通用 + 压缩
• 高性能：rv64gcv — + 向量

5. 内联汇编（GCC/Clang）

// 读取 CSR 寄存器（例如周期计数器）
static inline uint64_t read_cycle(void) {
    uint64_t val;
    asm volatile ("rdcycle %0" : "=r"(val));
    return val;
}

// 原子交换
static inline int atomic_swap(int *ptr, int new_val) {
    int old;
    asm volatile (
        "amoswap.w.aqrl %0, %2, (%1)"
        : "=r"(old)
        : "r"(ptr), "r"(new_val)
        : "memory"
    );
    return old;
}

// 内存屏障
static inline void memory_fence(void) {
    asm volatile ("fence rw, rw" ::: "memory");
}

// CSR 读/写
#define csr_read(csr) ({                    \
    uint64_t _v;                            \
    asm volatile ("csrr %0, " #csr : "=r"(_v)); \
    _v;                                     \
})

uint64_t mstatus = csr_read(mstatus);

6. 压缩指令（RVC）

当满足以下条件时，RVC 用 16 位版本替换常见的 32 位指令：

• 寄存器位于 x8–x15（用于 c. 版本）
• 立即数能放入更小的字段
• 指令模式与特定格式匹配

# 在 GCC 中启用 C 扩展
riscv64-linux-gnu-gcc -march=rv64gc prog.c -o prog

# 检查是否生成了压缩指令
riscv64-linux-gnu-objdump -d prog | grep "c\."
# c.addi, c.ld, c.sw, c.j 等

# 禁用压缩指令（用于调试或不支持 C 扩展的目标）
riscv64-linux-gnu-gcc -march=rv64g prog.c -o prog

7. QEMU 仿真与 GDB

# 安装 QEMU RISC-V
apt-get install qemu-user qemu-system-riscv64

# 用户态仿真（在 x86 主机上运行 RV64 二进制文件）
qemu-riscv64 ./prog

# 系统仿真（完整裸机虚拟机）
qemu-system-riscv64 \
  -machine virt \
  -nographic \
  -kernel firmware.elf \
  -gdb tcp::1234 \
  -S     # 启动时暂停

# GDB 远程调试会话
riscv64-linux-gnu-gdb prog
(gdb) target remote :1234
(gdb) load
(gdb) break main
(gdb) continue

关于 RISC-V psABI 调用约定的详细说明，请参阅 references/riscv-abi.md。

相关技能

• 使用 skills/low-level-programming/assembly-arm 与 AArch64 进行对比
• 使用 skills/low-level-programming/assembly-x86 了解 x86-64 汇编
• 使用 skills/embedded/openocd-jtag 对真实 RISC-V 硬件进行调试
• 使用 skills/compilers/cross-gcc 配置 RISC-V 交叉编译环境