RISC-V体系结构编程与实践

第 1章　RISC-V体系结构基础知识 1



1.1　RISC-V介绍 1



1.1.1　RISC-V指令集优点 1



1.1.2　RISC-V指令集扩展 2



1.1.3　RISC-V商业化发展 2



1.2　RISC-V体系结构介绍 3



1.2.1　RISC-V体系结构 3



1.2.2　采用RISC-V体系结构的常见处理器 3



1.2.3　RISC-V体系结构中的基本概念 4



1.2.4　SBI服务 5



1.3　RISC-V寄存器 6



1.3.1　通用寄存器 6



1.3.2　系统寄存器 7



1.3.3　U模式下的系统寄存器 8



1.3.4　S模式下的系统寄存器 9



1.3.5　M模式下的系统寄存器 11



1.4　香山处理器介绍 15



1.4.1　香山处理器体系结构 15



1.4.2　香山处理器的前端子系统 16



1.4.3　香山处理器的后端子系统 18



1.4.4　香山处理器的访存子系统 20



1.4.5　香山处理器的L2/L3高速缓存 25





第 2章　搭建RISC-V实验环境 29



2.1　实验平台 29



2.1.1　QEMU 29



2.1.2　NEMU 30



2.2　搭建实验环境 31



2.2.1　实验2-1：输出“Welcome RISC-V!” 31



2.2.2　实验2-2：单步调试BenOS和MySBI 32



2.3　BenOS和MySBI基础实验代码解析 34



2.3.1　MySBI基础代码分析 34



2.3.2　BenOS基础代码分析 37



2.3.3　合并BenOS和MySBI 41



2.4　QEMU + RISC-V + Linux实验平台 41





第3章　基础指令集 44



3.1　RISC-V指令集介绍 44



3.2　RISC-V指令编码格式 45



3.3　加载与存储指令 46



3.4　PC相对寻址 49



3.5　移位操作 53



3.6　位操作指令 55



3.7　算术指令 56



3.8　比较指令 57



3.9　无条件跳转指令 58



3.10　条件跳转指令 59



3.11　CSR指令 61



3.12　寻址范围 62



3.13　陷阱：为什么ret之后就进入死循环 62



3.14　实验 64



3.14.1　实验3-1：熟悉加载指令 64



3.14.2　实验3-2：PC相对地址寻址 64



3.14.3　实验3-3：memcpy()函数的实现 65



3.14.4　实验3-4：memset()函数的实现 65



3.14.5　实验3-5：条件跳转指令1 65



3.14.6　实验3-6：条件跳转指令2 66



3.14.7　实验3-7：子函数跳转 66



3.14.8　实验3-8：在汇编中实现串口输出功能 66





第4章　函数调用规范与栈 67



4.1　函数调用规范 67



4.2　入栈与出栈 70



4.3　RISC-V栈的布□ 72



4.3.1　不使用FP的栈布□ 72



4.3.2　使用FP的栈布□ 74



4.3.3　栈回溯 76



4.4　实验 78



4.4.1　实验4-1：观察栈布□ 78



4.4.2　实验4-2：观察栈回溯 78





第5章　GNU汇编器 79



5.1　编译流程与ELF文件 79



5.2　一个简单的汇编程序 82



5.3　汇编语法 84



5.3.1　注释 84



5.3.2　符号 84



5.4　常用的伪指令 85



5.4.1　对齐伪指令 85



5.4.2　数据定义伪指令 86



5.4.3　与函数相关的伪指令 87



5.4.4　与段相关的伪指令 87



5.4.5　与宏相关的伪指令 89



5.4.6　与文件相关的伪指令 91



5.5　RISC-V依赖特性 91



5.5.1　RISC-V特有的命令行选项 91



5.5.2　RISC-V特有的伪指令 92



5.6　实验 92



5.6.1　实验5-1：汇编语言练习—查找□□数 92



5.6.2　实验5-2：汇编语言练习—通过C语言调用汇编函数 92



5.6.3　实验5-3：汇编语言练习—通过汇编语言调用C函数 92



5.6.4　实验5-4：使用汇编伪操作实现一张表 92



5.6.5　实验5-5：汇编宏的使用 93





第6章　链接器与链接脚本 94



6.1　链接器 94



6.2　链接脚本 95



6.2.1　一个简单的链接程序 95



6.2.2　设置入口点 96



6.2.3　基本概念 97



6.2.4　符号赋值与引用 97



6.2.5　当前位置计数器 98



6.2.6　SECTIONS命令 99



6.2.7　常用的内置函数 101



6.3　加载重定位 103



6.3.1　BenOS重定位 103



6.3.2　OpenSBI和Linux内核重定位 105



6.4　链接重定位与链接器松弛优化 108



6.4.1　链接重定位 108



6.4.2　函数跳转优化 112



6.4.3　符号地址访问优化 114



6.5　实验 116



6.5.1　实验6-1：分析链接脚本 116



6.5.2　实验6-2：输出每个段的内存布□ 116



6.5.3　实验6-3：加载地址不等于运行地址 117



6.5.4　实验6-4：设置链接地址 117



6.5.5　实验6-5：链接器松弛优化1 117



6.5.6　实验6-6：链接器松弛优化2 117



6.5.7　实验6-7：分析Linux 5.15内核的链接脚本 117





第7章　内嵌汇编代码 118



7.1　内嵌汇编代码基本用法 118



7.2　案例分析 124



7.3　注意事项 128



7.4　实验 128





第8章　异常处理 130



8.1　异常处理基本概念 130



8.2　与M模式相关的异常寄存器 133



8.3　与S模式相关的异常寄存器 137



8.4　异常上下文 139



8.5　案例分析8-1：实现SBI系统调用 142



8.6　案例分析8-2：BenOS的异常处理 148



8.7　实验 154





第9章　中断处理与中断控制器 156



9.1　中断处理基本概念 156



9.2　CLINT 159



9.3　案例分析9-1：定时器中断 160



9.4　PLIC 164



9.5　案例分析9-2：串口中断 167



9.6　实验 171





第 10章　内存管理 172



10.1　内存管理基础知识 172



10.2　RISC-V内存管理 178



10.3　物理内存属性与物理内存保护 187



10.4　案例分析10-1：在BenOS里实现恒等映射 190



10.5　内存管理实验 204





第 11章　高速缓存 207



11.1　为什么需要高速缓存 207



11.2　高速缓存的访问延时 208



11.3　高速缓存的工作原理 210



11.4　高速缓存的映射方式 212



11.5　虚拟高速缓存与物理高速缓存 215



11.6　重名和同名问题 216



11.7　高速缓存策略 220



11.8　高速缓存的维护指令 221





第 12章　缓存一致性 224



12.1　为什么需要缓存一致性 224



12.2　缓存一致性的分类 225



12.3　缓存一致性的解决方案 227



12.4　MESI协议 228



12.5　高速缓存伪共享 237



12.6　两种缓存一致性控制器 239



12.7　案例分析12-1：伪共享的避免 241



12.8　案例分析12-2：DMA和高速缓存的一致性 242



12.9　案例分析12-3：自修改代码的一致性 244



12.10　实验 245





第 13章　TLB管理 246



13.1　TLB基础知识 247



13.2　TLB重名与同名问题 249



13.3　ASID 251



13.4　TLB管理指令 253



13.5　TLB案例分析 256



第 14章　原子操作 261



14.1　原子操作介绍 261



14.2　保留加载与条件存储指令 262



14.3　独占内存访问工作原理 263



14.4　原子内存访问操作指令 266



14.5　比较并交换操作 270





第 15章　内存屏障指令 275



15.1　内存屏障指令产生的原因 275



15.2　RISC-V约束条件 280



15.3　RISC-V中的内存屏障指令 284



15.4　RISC-V内存屏障指令移植指南 286



15.5　案例分析 288



15.6　模拟和测试内存屏障故障 291



15.7　实验 297





第 16章　合理使用内存屏障指令 299



16.1　存储缓冲区与写内存屏障指令 300



16.2　无效队列与读内存屏障指令 305



16.3　内存屏障指令总结 307



16.4　案例分析：Linux内核中的内存屏障指令 308



16.5　实验 315





第 17章　与操作系统相关的内容 316



17.1　C语言常见陷阱 317



17.2　创建进程 320



17.3　简易进程调度器 327



17.4　让进程运行在用户模式 335



17.5　系统调用 338



17.6　实现clone系统调用 341



17.7　实验 343





第 18章　可伸缩矢量计算与优化 345



18.1　矢量计算基本概念 345



18.2　RVV寄存器 348



18.3　配置编译和运行环境 351



18.4　RVV指令格式 357



18.5　配置指令 358



18.6　加载和存储指令 360



18.7　矢量掩码指令 369



18.8　矢量整型算术指令 372



18.9　案例分析18-1：使用RVV指令优化strcmp()函数 377



18.10　案例分析18-2：RGB24转BGR24 380



18.11　案例分析18-3：4 × 4矩阵乘法运算 382



18.12　案例分析18-4：使用RVV内置函数 388



18.13　案例分析18-5：自动矢量优化 388



18.14　术语 390



18.15　实验 391





第 19章　压缩指令扩展 393



19.1　RISC-V指令集的特点 393



19.2　RVC支持的指令格式与指令编码 394





第 20章　虚拟化扩展 396



20.1　虚拟化技术介绍 396



20.2　RISC-V虚拟化扩展 399



20.3　RISC-V内存虚拟化 404



20.4　RISC-V虚拟化扩展中的新增指令 406



20.5　进入和退出虚拟机 407



20.6　中断虚拟化 410



20.7　案例分析20-1：进入和退出虚拟机 412



20.8　案例分析20-2：建立虚拟化两阶段地址映射 415



20.9　案例分析20-3：在虚拟机中实现虚拟定时器 420



20.10　案例分析20-4：在VMM中加载和存储虚拟机内存地址 422



20.11　案例分析20-5：在VMM中模拟串口设备 424



20.12　实验 429



附录A　关于RISC-V体系结构自测题的参考答案与提示 431



附录B　RV64I指令速查表 433



附录C　RV64M指令速查表 437



附录D　RV64常用伪指令速查表 439