使用 RISC-V 汇编程序进行编程所需的条件

最后更新： 08/10/2025
作者： 艾萨克
  • 包括 RV32I：寄存器、ABI 和带有 ecall 的流控制。
  • 与木星一起练习和练习：否定、因素、链、递归。
  • 掌握交叉工具链， 脚本 使用 objdump 进行链接和调试。

RISC-V 汇编器：要求和入门

如果您对汇编程序感到好奇，并认为 RISC-V 是可行的方法，那么您来对地方了。 在 RISC-V 上开始使用 ASM 比看起来更实惠 如果你了解这些工具， 编程 以及一些关键的建筑规则。

在下面的几行中，我结合了几个来源的最佳内容：使用木星型模拟器的实践， RV32I 基本曲目的约定、循环和递归示例、系统调用，甚至查看 VHDL 中的 RISC-V CPU 设计（带有 ALU、内存控制和状态机），以及对交叉工具链和链接脚本的回顾。

什么是 RISC-V 汇编程序？它与机器语言有何不同？

虽然两者都与 硬件, 机器语言是纯二进制（1 和 0） CPU 直接解释，而汇编器使用助记符和 符号 比汇编程序更易读，然后转换为二进制。

RISC-V 定义了一个具有非常干净的基础指令集的开放 ISA。 RV32I（32 位）配置文件包含 39 条用户指令 具有卓越的正交性，将内存访问与纯计算分开，并在 GCC/LLVM 中提供出色的支持。

记录、协议和入口点

在 RV32I 中，您有 32个通用寄存器（x0–x31） 32 位；x0 始终读取为 0，且无法写入。诸如 a0–a7（参数）、t0–t6（临时变量）或 s0–s11（已保存）之类的别名对于遵循 ABI 也很有用。

根据环境或模拟器，程序可能从特定标签启动。 在 Jupiter 中，程序从全局 __start 标签开始。，您必须将其声明为可见（例如，使用 .globl）以标记入口点。

该 标签以冒号结尾，每行只能放一条指令，注释可以用#或;开头，所以汇编程序会忽略它们。

工具和模拟器：Jupiter 和基本工作流程

为了顺利进行练习，您必须 Jupiter 模拟器/汇编器，一种受 SPIM/MARS/VENUS 启发的图形工具，可在单一环境中方便编辑、组装和执行。

在 Jupiter 中，您可以在编辑器选项卡中创建、编辑和删除文件。 保存后，按F3组装并运行 逐条指令地调试流程，使用寄存器和内存视图来了解机器的状态。

程序必须以对环境的调用结束： 使用代码 10 退出呼叫设置 a0 （退出）。在 RISC-V 中，ecall 相当于系统调用或对环境/系统的陷阱。

程序的最小结构和系统调用

学术示例中的典型结构定义了一个起点，完成了工作，并以 ecall 结束。 ecall 参数通常在 a0–a2 中传输 以及 a7 中的服务选择器，具体取决于环境。

在一个 Linux 例如，RISC-V，您可以使用写入系统调用进行打印，并使用适当的代码退出。 对于写入，a0（fd）、a1（缓冲区）、a2（长度）和a7与服务编号一起使用。最后，将 a0 设置为返回代码，将 a7 设置为退出号。

# Ejemplo mínimo (Linux RISC-V) para escribir y salir
.global _start
_start:
  addi a0, x0, 1        # fd = 1 (stdout)
  la   a1, msg          # a1 = &msg
  addi a2, x0, 12       # a2 = longitud
  addi a7, x0, 64       # write
  ecall

  addi a0, x0, 0        # return code
  addi a7, x0, 93       # exit
  ecall

.data
msg: .ascii "Hola mundo\n"

如果你在 Linux 之外工作，例如 拥有自己的物联网服务的教育模拟器，根据环境文档更改ecall号码和寄存器。

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帮助您熟悉条件、循环和记忆的初步练习

典型的热身是检测整数是否为负数。 如果为正数则返回 0，如果为负数则返回 1。；使用 RV32I，通过与 0 进行比较并在小于时进行设置，可以通过一条经过深思熟虑的指令解决该问题。

另一个非常有用的练习是列出一个数字的因数： 从 1 到 n 遍历，打印除数，并返回除数的数量您将练习条件分支、除法（或重复减法）以及加法和比较循环。

使用字符串会强制您管理内存： 访问内存中字符串的每个字符，并就地将小写字母转换为大写字母 如果它们在 ASCII 范围内。完成后，返回字符串的原始地址。

循环、函数和递归：阶乘、斐波那契和汉诺塔

设计循环时，请考虑三个块：条件、主体和步骤。 使用 beq/bne/bge 和无条件跳转 jal/j while/for 构建 没有神秘感，依靠附加和比较。

.text
.globl __start
__start:
  li t0, 0        # i
  li t1, 10       # max
cond:
  bge t0, t1, end # si i >= max, salta
  # cuerpo: usar a0/a1 segun servicio IO del entorno
  addi t0, t0, 1  # i++
  j cond
end:
  li a0, 10
  ecall

在函数调用中，尊重 ABI： 如果您要连续调用更多调用，请保存，如果修改了 s0–s11，则保留它们，并使用 sp 以字的倍数移动的堆栈。

阶乘是经典的递归： 基本情况 n==0 返回 1；否则，调用 factorial(n-1) 并乘以 n。在调用之前，保护堆栈上保存的 ra 和寄存器，并在返回时恢复它们。

factorial:
  beq a0, x0, base
  addi sp, sp, -8
  sw   ra, 4(sp)
  sw   s0, 0(sp)
  mv   s0, a0
  addi a0, a0, -1
  jal  factorial
  mul  a0, a0, s0
  lw   s0, 0(sp)
  lw   ra, 4(sp)
  addi sp, sp, 8
  jr   ra
base:
  li a0, 1
  jr ra

斐波那契数列对于练习 两次调用的递归 作为一个高效的迭代版本，带有累加器变量。如果你想要流程和参数控制方面的挑战，可以将解决方案翻译成汇编语言 河内塔 有四个参数：磁盘、源、目标和辅助塔；它尊重调用顺序并显示每个动作。

内存访问、数组和字符串操作

在 RISC-V 中，内存访问是通过加载/存储完成的： lw/sw 表示字，lh/sh 表示半字，lb/sb 表示字节，电荷中有符号或无符号的变体（lb vs lbu、lh vs lhu）。

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要遍历整数数组，每个索引使用 4 字节偏移量；对于文本字符串， 逐字节前进，直到找到终止符 如果约定要求的话（例如，\0）。记住保存基地址，并根据需要使用 addi/auipc/la 处理指针。

从头开始设计 RV32I CPU：高级概述

如果你想深入研究硅片，一个教育项目可以构建一个 RV32I CPU 采用 VHDL 语言，可在 FPGA 中综合 中低端。包含程序 ROM、数据 ​​RAM 以及用于点亮 LED 的简单 GPIO。

内核实现了基本指令集（没有 M/A/C 扩展或 CSR）， 使用 32 位地址总线 并允许在适当的情况下进行8/16/32位符号扩展内存访问。该设计明确地将寄存器、ALU、内存控制器和状态机分开。

ALU、移位和“延迟加载”的概念

ALU 是通过以下操作组合描述的，例如 加法、减法、异或、或、与、比较（有符号和无符号） 以及逻辑/算术移位。

为了在 FPGA 中保存 LUT，实现了多位移位 由状态机控制的迭代 1 位移位：您消耗了几个周期，但减少了逻辑资源。

在同步电路中，时钟边沿会发生改变。 “延迟加载”的概念让人想起多路复用器选择的内容会影响下一个周期的寄存器，这是设计获取-解码-执行状态机时的一个关键方面。

内存控制器和映射：ROM、RAM 和 GPIO

内存块将 ROM 和 RAM 集成到连续的空间中， 简化处理器接口控制器接收 AddressIn（32 位）、DataIn、宽度（字节/半/字）、符号扩展信号、WE（读/写）和 Start 来启动事务。

手术结束后， ReadyOut 设置为 1，如果已读取，DataOut 包含数据（请求时进行符号扩展）。如果已写入，则数据保留在 RAM 中。

实用地图示例： ROM 从 0x0000 到 0x0FFF，位于 0x1000 的 GPIO 字节（引脚的位 0）和 RAM 从 0x1001 到 0x1FFF通过这个，您可以通过写入和切换输出位来制作闪光灯。

寄存器、多路复用器和状态机

CPU 定义了 32 个通用寄存器，这些寄存器在 VHDL 中以数组形式实例化， 装饰师 从 ALU 中选择写入目的地并保留其余部分。

多路复用器控制 ALU 输入（操作数和操作）， 发送到内存控制器的信号 （宽度、地址、启动控制和读/写）和特殊寄存器：PC、IR 和用于迭代移位的辅助计数器。

状态机开始于 重置, 获取 PC 指向的指令 （4 字节读取），它在准备就绪时被加载到 IR 中并传递到执行节点：ALU（1 个周期内一条指令，移位除外）、加载/存储、分支和跳转，以及 ebreak 等特殊指令。

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跨工具链、链接和调试

要生成 RV32I 二进制文件，请使用 跨 GCC（目标 riscv32-none-elf）。您编译 C/C++/ASM 源代码，链接定义内存映射的脚本，并将输出转换为 ROM/FPGA 期望的形式。

一个简单的钩子脚本可以放置 ROM 中的 .text 从 0x0000 开始 和 .data 从 0x1004 开始存储在 RAM 中（如果 0x1000–0x1003 被 GPIO 寄存器占用）。启动例程可以“裸露”，并将 RAM 末尾的堆栈指针（例如 0x1FFC） 在调用 main 之前。

/* Mapa simple
 * ROM: 0x00000000 - 0x00000FFF
 * GPIO: 0x00001000 - 0x00001003
 * RAM: 0x00001004 - 0x00001FFF
 */
SECTIONS {
  . = 0x00000000;
  .text : { *(.startup) *(.text) *(.text.*) *(.rodata*) }
  . = 0x00001004;
  .data : { *(.data) *(.data.*) }
}

使用 riscv32-none-elf-objdump 你可以 反汇编 ELF 并检查地址；例如，你会看到 引导 在 0x00000000 处，使用 lui/addi/jal 等指令并转换到主程序。对于 VHDL 仿真，GHDL 会生成可用 GtkWave 打开的轨迹。

经过模拟验证后，将设计转移到 FPGA（Quartus 或其他工具链）。 如果 RAM 被推断为内部块，并且代码清晰 RTL，即使在老旧的设备上，您也应该能够毫无意外地进行合成。

实用提醒和初期常见错误

别忘了 x0 始终为零；写入它没有任何效果，读取它则返回 0。在进行加法、比较和注册表清理时，可以利用这一点。

当你实现功能时， 保存您修改的 ra 和 sN 记录，并通过对 sp 进行字对齐的加/减操作来管理堆栈。返回时，它以相反的顺序恢复，并使用 jr ra 进行跳转。

在 Jupiter 等模拟器中，检查 __start 是全局的，你用 ecall 结束它 正确（a0=10 退出）。如果出现问题，请检查标签、全局性并重新编译（F3）。

在与 IO 的练习中， 尊重环境协议：哪些寄存器承载参数、服务编号以及预期地址还是立即值。请使用模拟器或操作系统文档。

有了清晰的 ISA 基础（RV32I、寄存器和 ABI）、像 Jupiter 这样舒适的模拟器以及不断增加的示例（负数、因子、大写、循环、阶乘、斐波那契和汉诺塔），RISC-V 汇编器不再是一堵墙，而是成为了解 CPU 如何思考的丰富地形。 如果您敢于深入研究 VHDL，您将会看到 ALU、内存和控制是如何组合在一起的。：从指令获取和延迟加载到内存接口以及带有 ROM、RAM 和 GPIO 的地图，可让您使用自己的处理器闪烁 LED。

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