RISC-V 入门笔记（新手必看！）

学习RISC-V架构有一段时间了，总结了一下入门RISC-V的一些必备知识点。

什么是RISC-V

大家听过最多的处理器架构可能就是x86和ARM，x86架构主要用在PC端，ARM主要用在移动终端。学习嵌入式的小伙伴肯定都知道ARM，但是ARM是国外的，设计一款ARM架构的芯片，需要经过ARM公司的授权，同时会产生一些费用，这也带来了一个问题：假如有一天ARM公司不授权怎么办？

RISC-V架构就是为了解决这个问题的！RISC-V最早在2010年起源于加州大学伯克利分校，由于受够了现有处理器架构的复杂性和相关知识产权的限制，伯克利大学决定发明一种全新的、简单且开放免费的指令集架构。

从名字可以看出，RISC-V就是RISC的第五代指令集架构。而RISC-V目标就是“成为一种完全开放的指令集架构，可被任何学术机构或商业组织自由使用”。

RISC-V 发展

2015年成立了RISC-V基金会，这是个非营利性组织，主要为了维护和发展RISC-V。

目前RISC-V的IP供应商大部分是国内的厂商，例如sifive、阿里平头哥、Andes等等。而基于RISC-V架构设计的芯片厂商也基本是国内的。

可见，基于RISC-V架构设计的芯片，没有了像ARM需要授权等多方面的限制，可以做到自主可控。但由于RISC-V还处于发展的阶段，还有许多不完善的地方，有传言未来可能会形成x86、ARM、RISC-V三足鼎立的天下，但能否形成这个局面，还需要大家的共同努力。

RISC-V指令集

RISC-V指令集由“基本指令集 + 扩展指令集”组成。基本指令集是必选的，扩展指令集是可选的。意思就是可以根据你的实际需求，选择需要使用的指令。例如在一个项目中，如果不需要用到压缩指令，那么就不需要把压缩指令添加进来，从而做到定制化，这也是RISC-V的一大特点。

RISC-V指令集有RV32I、RV32E、RV64I、RV64E、RV64I等等，RV代表RISC-V，32/64代表32位或64位，I和E都是基本指令集，在I和E的基础上，可以添加D（双精度浮点扩展）、M（整数乘除法）、A（原子扩展）、C（压缩扩展）等扩展指令。例如，在RV64I基础上，添加原子、整数乘除法、双精度浮点、压缩指令，则该指令集称为RV64IMADC。

基本指令集和扩展指令集描述如下：

RISC-V特权架构

ARM有7种工作模式，而RISC-V也有不同的模式，这些模式在RISC-V中也被称为特权架构。

RISC-V总共有四种模式，分别是U、S、H和M模式：

U模式被编码为00，S模式编码为01，H模式编码为10，M模式编码为11。Level越高，等级越高。等级越高，拥有的访问权限也更高。按照特权等级，由高到低依次为M、H、S、U。

上图中编码为10的模式是保留的，这个模式实际上就是H模式，H模式是用作虚拟化，但是目前RISC-V对虚拟化还不太完善，基本不支持。因此上图并没有将H模式标出来，而是作为保留。也正是因此，有人经常将RISC-V的模式说成三种U、S和M。

• U模式：User，用户模式
• S模式：Supervisor，监管者模式
• M模式：Machine，机器模式

以RISC-V Linux为例，Linux应用程序处于U模式，Linux内核/uboot处于S模式，M模式则是OpenSBI。M模式拥有最高访问权限，Linux内核如果要访问CSR寄存器，则必须由S模式切换到M模式，由OpenSBI读取CSR寄存器，然后将数据返回给内核。

M模式是必须要选择的，RISC-V的裸机代码都运行在M模式下。

RISC-V通用寄存器

RISC-V有x0~x31共32个通用寄存器，每个通用寄存器都有各自的用途，例如x2是作为sp栈指针、a0~a1用来保存函数参数或返回值。x0寄存器被硬编码为了0，就是个0值寄存器。

ABI名称相当于这些通用寄存器的别名，在RISC-V汇编当中，都使用ABI名称来代表这些寄存器。

RISC-V CSR寄存器

CSR是控制状态寄存器，RISC-V中CSR寄存器，需要使用csrr、csrw、csrrw等特定指令进行访问。

M模式和S模式都有自己的CSR寄存器，但是大体上相同。下面列举一些常用的CSR。

M模式CSR寄存器

mstatus

状态寄存器，保存了全局中断使能状态和其他状态，例如切换模式前，保存当前模式。

mtvec

异常入口基地址寄存器。保存发生异常时需要跳转的地址。

medeleg和mideleg

medeleg是异常委托，mideleg是中断委托。例如，在M模式下发生异常或中断时，可以通过这两个寄存器，将中断/异常交给S模式或者其他模式处理。

mip和mie

mie是中断使能寄存器，对需要使能的中断，在对应位使能。

mip是中断等待寄存器，表示目前正准备处理的中断。

hpm

全称Hardware Performance Monitor，硬件性能单元，用于性能计数。包括了两类寄存器：mhpmcounter和mhpmevent

• mhpmcounter：性能计数器
• mhpmevent：用于配置性能事件

mcounteren和mcountinhibit

这两个也是hpm相关的寄存器，主要用于控制hpm的使能、计数禁止。

• mcounteren：计数器使能
• mcountinhibit：禁止计数

mscratch

用于保存M模式指向hart上下文的指针,并在进入M模式的处理程序时，和用户寄存器交换。

mepc

发生中断时，当前程序的PC值，保存在mepc中，中断返回时，会从mepc读取PC值。

mcause

用于保存发生中断或异常的情况，中断和异常描述如下：

1代表中断，0代表异常，每个异常/中断都有对应的编码值，通过mcause的值，可以很清楚的知道发生了什么中断或异常，特别在调试过程，mcause发挥了很大作用。

mvtal

异常值寄存器，例如发生异常时，保存出错的地址。

S模式CSR寄存器

S模式的CSR和M模式基本上是一样的，只不过将第一个字母m改为了s，例如mcause改为了scause，mvtal改为了svtal。它们的功能基本相同，这里就不再赘述了。

需要注意的是，S模式除了拥有M模式相同功能的CSR外，另外还增加了一个stap寄存器。

stap寄存器主要是给MMU使用，stap寄存器保存了页表的基地址，MMU通过stap可以找到第一级页表，进而找到物理地址。stap寄存器涉及到的内容比较多，关于stap相关内容，以后会详细展开讲讲。

总结

以上就是入门RISC-V需要掌握的基本知识，主要还是一些寄存器的作用和特权架构。内容不多，比较基础，但是要真正掌握RISC-V，还需要多看一下汇编代码和裸机代码，才能深刻理解每个寄存器的作用以及不同特权架构下的区别，本文主要是RISC-V入门知识的总结。