最近这三年的工作时间大部分的工作，都是基于riscv的cpu和接口ip开发适配驱动，时不时的就要debug测试代码，面对很多都是汇编，所以也是整理下积累的一点点笔记，系列博客将总结下riscv相关的内容，一是给有需要的人一点点帮助，另外给自己梳理下方便日后查阅。
虽然现在大部分的程序都不在使用汇编，但是在一些特殊场景下：底层驱动、引导程序、高性能算法库等等，汇编还是扮演着重要作用。对于嵌入式驱动开发，虽然可能不要求熟练的coding汇编，但是至少做到能够看懂理解和编写一些简单的汇编程序。
先从汇编最基础的概念以及相关的知识开始简单了解，后续慢慢会继续更新完善。
1 riscv简介
1.1 ISA
ISA (Instruction Set Architecture) 指令集架构，可以说是CPU的灵魂，是软硬件之间的桥梁；定义了指令集（指令类型和编码、寻址方式）、数据类型、存储模型、系统模型（中断、异常、特权等级等）、软件可见的处理器状态（通用寄存器、PC、处理器状态等）。
1.2 CISC和RISC
指令集架构主要分为：
- 复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
- 精简指令集（ Reduced Instruction Set Computer, RISC ）
CISC与RISC的区别如下：
| VS | 复杂指令集（CISC） | 精简指令集（RISC） |
|---|---|---|
| 指令数量 | 多 | 少 |
| 指令系统复杂度 | 复杂 | 简单 |
| 指令长度 | 变长，不固定 | 等长，固定 |
| 寻址方式 | 多 | 少 |
| 指令格式 | 多 | 少且规整 |
| 各指令使用频率 | 相差很大 | 相差不大 |
| 指令执行时间 | 相差很大 | 相差不大 |
| 指令周期 | 多周期为主 | 单周期为主（流水线技术，大部分指令在一个机器周期完成） |
| cpu寄存器数量 | 少 | 多（增加寄存器，以减少访存） |
| 指令并行性 | 低 | 高 |
| 可访存指令 | 不加限制 | 只有load/store等访存指令才能访问内存（减少了访存周期） |
| 优化编译实现 | 很难 | 较容易（依靠编译程序的优化来更有效的支持高级语言） |
| 代表架构 | x86 | ARM，MIPS，PowerPC，LoongArch，RISC-V等 |
目前主流的CISC就是x86，而RISC的代表则是ARM。
这里介绍的RISC-V是第5代精简指令集，也时属于RISC阵营一员，RISC-V架构主要由美国加州大学伯克利分校（简称伯克利）的Krste Asanovic 教授、Andrew Waterman 和Yunsup Lee等开发人员于2010年发明，并且得到了计算机体系结构领域的泰斗David Patterson 的大力支持。
另外，RISC-V（英文读作“ risk-five＂），是一种全新的指令集架构。“V”包含两层意思， 一是这是Berkeley 从RISC I开始设计的第五代指令集架构： 二是它代表了变化（ Variation ）和向量（ Vectors ） 。
关于RISC-V更多的介绍以及其他ISA的介绍，感兴趣自行搜索学习了解。
这里有一点主观观点要说一下——未来RISC-V一定会越来越好（可以学习了来评论区讨论下，就不具体展开啦）。
1.3 march
1.3.1 RISC-V指令架构有以下特点：
- 完全开放
- 指令简单
- 模块化设计，易于扩展
RISC-V 的指令集使用模块化的方式进行组织，每一个模块使用一个英文字母来表示。正是由于RISC-V模块化特点，RISC-V架构也有一套命名标准来描述当前CPU所支持指令集；比如：RV32I、RV64G、RV32IMA这样。
1.3.2通用的命名格式
如下：
RV[n][I/F/D/Q/M/C/A/B/E/H/K/V/P/J/T/N]
其中：
- RV代表这是RISC-V指令集
- n代表当前指令集是几位的，32位还是64位
- 后面的是指令集模块，模块含义如下表格
| module name | class | description |
|---|---|---|
| RV32I | 基础指令 | 整数指令：包含算法、分支、逻辑、访存指令，有32个32位寄存器。能寻址32位地址空间 |
| RV64I | 基础指令 | 整数指令：包含算法、分支、逻辑、访存指令，有32个64位寄存器。能寻址64位地址空间 |
| RV128I | 基础指令 | 整数指令：包含算法、分支、逻辑、访存指令，有32个128位寄存器。能寻址128位地址空间 |
| RV32E | 基础指令 | 与RV32I一样，只不过只使用前16个（0~15）32位寄存器 |
| M | 扩展指令 | 包含乘法、除法、取模求余指令 |
| F | 扩展指令 | 单精度浮点指令 |
| D | 扩展指令 | 双精度浮点指令 |
| Q | 扩展指令 | 四倍精度浮点指令 |
| A | 扩展指令 | 原子操作指令：比如比较并交换，读改写等指令 |
| C | 扩展指令 | 压缩指令：单指令长度为16位，主要用于改善程序大小 |
| P | 扩展指令 | 单指令多数据（Packed-SIMD）指令 |
| B | 扩展指令 | 位操作指令 |
| K | 扩展指令 | 密码运算扩展指令集（Key） |
| V | 扩展指令 | 可伸缩矢量扩展指令集（Vector） |
| T | 扩展指令 | 事务内存指令集（Transactional Memory） |
| H | 扩展指令 | 支持（Hypervisor）管理指令 |
| J | 扩展指令 | 支持动态翻译语言指令 |
| L | 扩展指令 | 十进制浮点指令 |
| N | 扩展指令 | 用户中断指令 |
| G | 通用指令 | 包含I、M、A、F、D 指令 |
以上模块的一个特定组合“ IMAFD ”，也被称为“通用”组合，用英文字母G 表示。因此RV32G 表示RV32IMAFD ，同理RV64G 表示RV64IMAFD 。通过以上的模块化指令集，能够选择不同的组合来满足不同的应用。例如，追求小面积、低功耗的嵌入式场景可以选择使用RV32EC 架构；而大型的64 位架构则可以选择RV64G
2 RISC-V寄存器
在RISC-V 架构中，寄存器组主要包括通用寄存器（General Purpose Registers ）和控制状态寄存器（ Control and Status Register, CSR）。
2.1 通用寄存器组
RISC-V架构通用寄存器设计规范包括：
- 基础整数指令集寄存器配置
a、标准配置（I扩展集）:
RISC-V基础指令集架构默认配置32个整数寄存器组，编号为x0至x31。其中x0寄存器具有硬连线常数0特性（写入操作无效，读取始终返回0值），其余31个寄存器（x1-x31）为全功能通用寄存器。b、寄存器位宽定义：
架构通过XLEN参数声明寄存器物理位宽：
RV32I架构：XLEN=32，寄存器采用32位存储单元
RV64I架构：XLEN=64，寄存器扩展为64位存储空间
- 嵌入式场景优化配置
- 精简配置（E扩展集）：
面向资源敏感型嵌入式场景，架构提供寄存器组精简方案：- 寄存器数量缩减至16个（x0-x15）
- x0寄存器仍保持零值特性
- 仅支持RV32E架构（强制限定XLEN=32）
- 浮点运算扩展配置
- 浮点寄存器组，当系统启用单精度（F扩展）或双精度（D扩展）浮点指令时：
- 新增独立浮点寄存器组（f0-f31）
- 32个浮点寄存器支持标量运算操作
- 寄存器位宽随浮点标准动态调整（F扩展对应32位，D扩展对应64位）
另外为提升代码可读性，汇编器支持寄存器功能别名映射。寄存器别名系统：
例如：x0 → zero（零值寄存器）x1 → ra（返回地址寄存器）x2 → sp（栈指针寄存器） 等，整体汇总如下：
| register | ABI name | description | Saver |
|---|---|---|---|
| x0 | zero | Hard-wired zero， | 常数0 |
| x1 | ra | Return address | caller |
| x2 | sp | Stack pointer | callee |
| x3 | gp | Global pointer | - |
| x4 | tp | Thread pointer | - |
| x5 | t0 | Temporary/alternate link register | caller |
| x6-7 | t1-2 | Temporaries | caller |
| x8 | s0/fp | Saved register/frame pointer | callee |
| x9 | s1 | Saved register | callee |
| x10-11 | a0-1 | Function arguments/return values | caller |
| x12-17 | a2-7 | Function arguments | caller |
| x18-27 | s2-11 | Saved registers | callee |
| x28-31 | t3-6 | Temporaries | caller |
| f0-7 | ft0-7 | FP temporaries | caller |
| f8-9 | fs0-1 | FP saved temporaries | caller |
| f10-11 | fa0-1 | FP arguments/return temporaries | caller |
| f12-17 | fa2-7 | FP arguments temporaries | caller |
| f18-27 | fs2-11 | FP saved temporaries | caller |
| f28-31 | ft0-11 | FP temporaries | caller |
其中：
- ABI（Application Binary Interface）
- Caller ：调用者
- Callee : 被调用函数【这里可以视为在 Caller (函数)中调用 Callee (函数)】
Caller 维护的寄存器，在运行被调函数前不会被保存，函数返回时这些寄存器可能会被改变，所以在调用前由 Caller 保存维护。Callee 维护的寄存器，在运行被调函数前会被保存，函数返回后这些寄存器与运行被调函数前相同。
2.2 CSR寄存器
RISC-V 的架构中定义了一些控制和状态寄存器（ Control and Status Register, CSR ）
基础特性：
- 专用地址空间：独立编址的12位地址域（0x000-0xFFF），通过csrrw/csrrs等专用指令访问
- 特权级关联：寄存器访问权限与特权模式（Machine/Supervisor/User）强关联，部分CSR需特定权限操作
- 功能范畴：系统配置、异常处理、性能监控、调试支持
主要寄存器分类：
机器模式核心CSR
- mstatus (0x300)：全局状态控制（中断开关、特权模式栈）
- mtvec (0x305)：异常处理入口基址寄存器
- mepc/mcause (0x341/0x342)：异常返回地址与原因编码
- mip/mie (0x344/0x304)：中断状态与使能位图
计时与计数单元
- mcycle/minstret (0xB00/0xB02)：时钟周期与指令执行计数器
- mcountinhibit (0x320)：性能计数器启停控制
调试支持单元
- dcsr/dpc (0x7B0/0x7B1)：调试模式控制与断点PC存储
扩展功能关联
- 浮点扩展：fcsr (0x003) 聚合浮点状态
- 向量扩展：vcsr (0x008) 配置向量参数
- 用户级只读：cycle/time (0xC00系列)
访问控制机制：
- 权限隔离：用户模式仅可访问非特权CSR（如ustatus）
- 原子操作：提供csrrw（写后读）、csrrc（位清除）等原子指令
- 影子寄存器：部分CSR（如stvec）在不同特权级拥有独立副本
参考
- 指令集架构知识汇总
- riscv-spec-20240411.pdf
- 胡振波 手把手教你设计CPU
- 跟我学RISC-V】（一）认识RISC-V指令集并搭建实验环境