Risc-V¶

介紹 Risc-V 基礎內容。

0x01 架構特點¶

RISC-V 是一種新興的開放指令集架構（ISA），具有高度的靈活性與可擴展性。它以模組化設計為核心理念，允許開發者根據實際需求選擇不同的擴充模組來構建處理器。例如，最基本的指令集包括 RV32I 和 RV64I，而可選的擴充則涵蓋了乘除法（M）、原子操作（A）、浮點運算（F、D）、壓縮指令（C）以及適用於高效能運算的向量指令集（V）等。

該架構支援多種位元寬度，包括 32 位元（RV32）、64 位元（RV64）以及未來預留的 128 位元（RV128）模式，從而滿足從嵌入式系統到高效能伺服器等多樣化應用場景。RISC-V 也明確區分了處理器的特權等級，定義了使用者態（U-mode）、監督態（S-mode）和機器態（M-mode），為作業系統的運作和安全機制提供良好支援。

下表列出了一些常見的指令集擴充及其簡要說明：

0x02 暫存器¶

RISC-V 處理器架構定義了一組通用暫存器與控制狀態暫存器（CSR），用於處理資料、控制流程及儲存狀態資訊。以下是這兩類暫存器的簡要介紹。

（1）通用暫存器¶

RISC-V 一共有 32 個通用暫存器，編號為 x0 到 x31，每個暫存器為 32 位元（RV32）或 64 位元（RV64）。這些暫存器也有對應的 ABI 名稱，常用於組合語言程式設計。

注意事項： - x0 是特殊的唯讀暫存器，總是返回 0，寫入無效。 - 臨時暫存器（t0~t6）在函式呼叫過程中不保證保留。 - 保存暫存器（s0~s11）在函式呼叫間必須被保存與恢復。

（2）CSR 暫存器¶

CSR（Control and Status Register）是用於控制、狀態監控與設定處理器運作的重要暫存器。RISC-V 中 CSR 的位址空間為 12 位元，共支援 4096 個 CSR 暫存器。

常見的 CSR 暫存器包括：

注意事項： - CSR 可透過特殊屬於 zicsr 擴充指令集的指令 csrrw、csrrs、csrrc 等進行讀寫。 - 依據特權等級分類，CSR 分為使用者態（u）、監督態（s）、機器態（m*）等。 - 在簡化實作中，僅支援機器態（M-mode）的 CSR 是常見情況。

（3）浮點暫存器¶

RISC-V 架構在支援浮點擴充（如 F 和 D 擴充）時，提供了一組專用的浮點暫存器，用於浮點數的運算與資料儲存。

RISC-V 定義了 32 個浮點暫存器，編號為 f0 到 f31，每個暫存器通常為 32 位元（單精度，RV32F）或 64 位元（雙精度，RV64D），具體取決於所實作的浮點擴充。

注意事項： - 浮點暫存器的 ABI 命名與整數暫存器類似，但前綴為 f。 - 根據 ABI 約定，函式參數透過 fa0~fa7 傳遞，返回值通常使用 fa0。 - ft* 為呼叫端保存（Caller-saved），fs* 為被呼叫端保存（Callee-saved）。 - 使用浮點暫存器需處理器支援相應的浮點擴充指令集，如 F（單精度）或 D（雙精度）。

0x03 常見指令¶

（1）常見整數指令（R 型）¶

R 型指令用於暫存器間的算術或邏輯運算，格式：rd = rs1 op rs2。

（2）常見立即數指令（I 型）¶

I 型指令對暫存器和立即數執行運算，適用於快速計算和常數賦值。

（3）載入指令（I 型）¶

用於從記憶體位址讀取資料到暫存器。位址由 rs1 + offset 計算得出。

（4）儲存指令（S 型）¶

用於將暫存器中的值寫入記憶體。位址仍由 rs1 + offset 計算。

（5）控制流指令（B 型）¶

用於實現條件跳轉，配合標籤使用，跳轉偏移為 12 位元立即數（±4KB）。

（6）跳轉與連結指令（J 型、I 型）¶

用於過程呼叫與函式跳轉，保留返回位址到 ra。

• 若目標暫存器為 x0，表示不保存返回位址（純跳轉）。
• jal 通常用於呼叫函式，jalr 用於從函式返回。

（7）特殊系統呼叫指令（環境互動）¶

0x04 呼叫規約¶

堆疊框架結構圖（RISC-V ABI 堆疊框架）

高位址
│
│  +-----------------------------+
│  | 需要保存的暫存器             |
│  +-----------------------------+
│  | 超過暫存器傳參的參數 > a7/fa7|
│  +-----------------------------+
│  | 返回位址 (ra)                │
│  +-----------------------------+
│  | 區域變數                     |
│  +-----------------------------+
│  | (16 位元對齊空間填充)        |
└──► 堆疊指標 (sp)

1. 堆疊成長¶

• 向低位址方向成長
• sp（x2）總是保持 16 位元對齊
• 常用 sp 作為指標存取堆疊內容（例如: ld t0, 16(sp)）

2. 保存暫存器內容¶

由 callee 保存： - s0–s11（x8–x9, x18–x27） → 用於長期保存的資料 - fs0–fs11（f8–f9, f18–f27） → 浮點保存暫存器 - ra（x1） → 返回位址（call 偽指令修改 ra 後由被呼叫函式保存）

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

參數大小限制¶

• 小於指標大小（如 char、short）：放在暫存器低位
• 超過一個指標大小（如 long long）：需要偶數對齊暫存器

• 例如 RV32 中：

  void foo(int, long long)
  

  • int → a0
  • long long → a2 和 a3（跳過 a1，偶數對齊）

• 超過兩個指標大小（如 struct { long x[3]; }） → 以引用傳遞

返回值傳遞規則¶

• 返回值使用：
• 整數：a0, a1
• 浮點數：fa0, fa1
• 結構體返回：
• ≤2 pointer-word：用 a0/a1

• 2 pointer-word：呼叫端分配記憶體，並透過隱藏指標作為第一個參數傳遞

暫存器使用一覽¶

注意，嚴格來說，sp、ra 暫存器並不屬於暫存/保留暫存器的分類，這兩個暫存器的處理多以由被呼叫端（callee）保存為主。同時，像是 gp 等暫存器也不屬於這個範疇。

參閱¶

• RISC-V ELF psABI 文件（riscv-non-isa/riscv-elf-psabi-doc）
• RISC-V 指令集架構官方手冊（riscv/riscv-isa-manual）