Risc-V¶

介绍 Risc-V 基础内容。

0x01 架构特点¶

RISC-V 是一种新兴的开放指令集架构（ISA），具有高度的灵活性和可扩展性。它以模块化设计为核心理念，允许开发者根据实际需求选择不同的扩展模块来构建处理器。例如，最基本的指令集包括 RV32I 和 RV64I，而可选的扩展则覆盖了乘除法（M）、原子操作（A）、浮点运算（F、D）、压缩指令（C）以及适用于高性能计算的向量指令集（V）等。

该架构支持多种位宽，包括 32 位（RV32）、64 位（RV64）以及未来预留的 128 位（RV128）模式，从而满足从嵌入式系统到高性能服务器等多样化应用场景。RISC-V 还明确区分了处理器的特权级别，定义了用户态（U-mode）、监督态（S-mode）和机器态（M-mode），为操作系统的运行和安全机制提供了良好的支撑。

以下表格列出了一些常见的指令集扩展及其简要说明：

0x02 寄存器¶

RISC-V 处理器架构定义了一组通用寄存器和控制状态寄存器（CSR），用于处理数据、控制流程以及存储状态信息。以下是对这两类寄存器的简要介绍。

（1）通用寄存器¶

RISC-V 一共有 32 个通用寄存器，编号为 x0 到 x31，每个寄存器为 32 位（RV32）或 64 位（RV64）。这些寄存器也有对应的 ABI 名称，常用于汇编语言编程。

注意事项： - x0 是特殊的，只读寄存器，总是返回 0，写入无效。 - 临时寄存器（t0~t6）在函数调用过程中不保证保留。 - 保存寄存器（s0~s11）在函数调用之间必须被保存和恢复。

（2）CSR 寄存器¶

CSR（Control and Status Register）是用于控制、状态监测和配置处理器运行的重要寄存器。RISC-V 中 CSR 的地址空间为 12 位，共支持 4096 个 CSR 寄存器。

常见的 CSR 寄存器包括：

注意事项： - CSR 可通过特殊隶属 zicsr 扩展指令集的指令 csrrw、csrrs、csrrc 等进行读写。 - 按照特权级别分类，CSR 分为用户态（u）、监督态（s）、机器态（m*）等。 - 在简化实现中，仅支持机器态（M-mode）的 CSR 是常见情况。

（3）浮点寄存器¶

RISC-V 架构在支持浮点扩展（如 F 和 D 扩展）时，提供了一组专用的浮点寄存器，用于浮点数的计算和数据存储。

RISC-V 定义了 32 个浮点寄存器，编号为 f0 到 f31，每个寄存器通常为 32 位（单精度，RV32F）或 64 位（双精度，RV64D），具体取决于所实现的浮点扩展。

注意事项： - 浮点寄存器的 ABI 命名与整数寄存器类似，但前缀为 f。 - 根据 ABI 约定，函数参数通过 fa0~fa7 传递，返回值通常使用 fa0。 - ft* 为调用者保存（Caller-saved），fs* 为被调用者保存（Callee-saved）。 - 使用浮点寄存器需要处理器支持相应的浮点扩展指令集，如 F（单精度）或 D（双精度）。

0x03 常见指令¶

（1）常见整数指令（R 型）¶

R 型指令用于寄存器之间的算术或逻辑操作，格式：rd = rs1 op rs2。

（2）常见立即数指令（I 型）¶

I 型指令对寄存器和立即数执行运算，适用于快速计算和常数赋值。

（3）加载指令（I 形）¶

用于从内存地址读取数据到寄存器。地址由 rs1 + offset 计算得出。

（4）存储指令（S 型）¶

用于将寄存器中的值写入内存中。地址仍由 rs1 + offset 计算。

（5）控制流指令（B 型）¶

用于实现条件跳转，配合标签使用，跳转偏移为 12 位立即数（±4KB）。

（6）跳转与链接指令（J 型、I 型）¶

用于过程调用和函数跳转，保留返回地址到 ra。

• 若目标寄存器为 x0，表示不保存返回地址（纯跳转）。
• jal 通常用于调用函数，jalr 用于从函数返回。

（7）特殊系统调用指令（环境交互）¶

0x04 调用规约¶

栈帧结构图（RISC-V ABI 栈帧）

高地址
│
│  +-----------------------------+
│  | 需要保存的寄存器             |
│  +-----------------------------+
│  | 超过寄存器传参的参数 > a7/fa7 |
│  +-----------------------------+
│  | 返回地址 (ra)                │
│  +-----------------------------+
│  | 局部变量                     |
│  +-----------------------------+
│  | (16 字节对齐空间填充)        |
└──► 栈指针 (sp)

1. 栈增长¶

• 向低地址方向增长
• sp（x2）总是保持 16 字节对齐
• 常用 sp 为指针访问栈的内容（例如: ld t0, 16(sp)）

2. 保存寄存器内容¶

由 callee 保存： - s0–s11（x8–x9, x18–x27） → 用于长期保存的数据 - fs0–fs11（f8–f9, f18–f27） → 浮点保存寄存器 - ra（x1） → 返回地址（call伪指令修改ra后由被调用函数保存）

由 caller 保存： - t0–t6（x5–x7, x28–x31） - ft0–ft11（f0–f7, f28–f31）

参数大小约束¶

• 小于指针大小（如 char、short）：放在寄存器的低位
• 超过一个指针大小（如 long long）：需要偶数对齐寄存器

• 例如 RV32 中：

  void foo(int, long long)
  

  • int → a0
  • long long → a2 和 a3（跳过 a1，偶数对齐）

• 超过两个指针大小（如 struct { long x[3]; }） → 按引用传递

返回值传递规则¶

• 返回值使用：
• 整数：a0, a1
• 浮点数：fa0, fa1
• 结构体返回：
• ≤2 pointer-word：用 a0/a1

• 2 pointer-word：调用者分配内存，并通过隐藏指针作为第一个参数传递

寄存器使用一览¶

注意 sp, ra 寄存器严格来说不属于 草稿/保留 寄存器分类，对这两个寄存器的处理多以callee保存为实现。与此同时还有 gp 等寄存器不属于这个范畴。

参阅¶

• RISC-V ELF psABI 文件（riscv-non-isa/riscv-elf-psabi-doc）
• RISC-V 指令集架构官方手册（riscv/riscv-isa-manual）