正版 RISC-V体系结构编程与实践 奔跑吧Linux社区 人民邮电出版

目 录 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 QEMU29 2.1.2 NEMU30 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MySBI32 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MySBI41 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165 3.14.6 实验3-6：条件跳转指令266 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栈的布局72 4.3.1 不使用FP的栈布局72 4.3.2 使用FP的栈布局74 4.3.3 栈回溯76 4.4 实验78 4.4.1 实验4-1：观察栈布局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—查找优选数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局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1117 6.5.6 实验6-6：链接器松弛优化2117 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 7.1.1 基础内嵌汇编代码118 7.1.2 扩展内嵌汇编代码118 7.1.3 内嵌汇编代码修饰符120 7.1.4 使用汇编符号名字121 7.1.5 内嵌汇编代码与宏结合122 7.1.6 使用goto修饰词122 7.1.7 小结123 7.2 案例分析124 7.3 注意事项128 7.4 实验128 7.4.1 实验7-1：实现简单的memcpy()函数128 7.4.2 实验7-2：使用汇编符号名写内嵌汇编代码128 7.4.3 实验7-3：使用内嵌汇编代码完善memset()函数129 7.4.4 实验7-4：使用内嵌汇编代码与宏的结合129 7.4.5 实验7-5：实现读和写系统寄存器的宏129 7.4.6 实验7-6：goto模板的内嵌汇编代码129 第8章 异常处理130 8.1 异常处理基本概念130 8.1.1 异常类型130 8.1.2 同步异常和异步异常131 8.1.3 异常入口和返回131 8.1.4 异常返回地址132 8.1.5 异常返回的处理器模式133 8.1.6 栈的选择133 8.2 与M模式相关的异常寄存器133 8.2.1 mstatus寄存器134 8.2.2 mtvec寄存器134 8.2.3 mcause寄存器135 8.2.4 mie寄存器135 8.2.5 mtval寄存器136 8.2.6 mip寄存器136 8.2.7 mideleg和medeleg寄存器136 8.2.8 中断配置137 8.3 与S模式相关的异常寄存器137 8.3.1 sstatus寄存器137 8.3.2 sie寄存器137 8.3.3 sip寄存器138 8.3.4 scause寄存器138 8.3.5 stvec寄存器138 8.3.6 stval寄存器139 8.4 异常上下文139 8.4.1 保存异常上下文141 8.4.2 恢复异常上下文141 8.5 案例分析8-1：实现SBI系统调用142 8.5.1 调用ECALL指令142 8.5.2 实现SBI系统调用143 8.6 案例分析8-2：BenOS的异常处理148 8.6.1 设置异常向量表148 8.6.2 保存和恢复异常上下文149 8.6.3 异常处理151 8.6.4 委托中断和异常153 8.6.5 触发异常153 8.7 实验154 8.7.1 实验8-1：在SBI中实现串口输入功能154 8.7.2 实验8-2：在BenOS中触发非法指令异常155 8.7.3 实验8-3：输出触发异常时函数栈的调用过程155 8.7.4 实验8-4：在MySBI中模拟实现RDTIME伪指令155 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 9.1.1 中断类型156 9.1.2 中断处理过程157 9.1.3 中断委派和注入158 9.1.4 中断优先级158 9.2 CLINT159 9.3 案例分析9-1：定时器中断160 9.3.1 访问mtimer160 9.3.2 在MySBI中实现定时器服务160 9.3.3 定时器中断处理161 9.3.4 打开中断总开关163 9.3.5 小结164 9.4 PLIC164 9.4.1 中断号165 9.4.2 中断优先级166 9.4.3 中断使能寄存器166 9.4.4 中断待定寄存器166 9.4.5 中断优先级阈值寄存器167 9.4.6 中断请求 完成寄存器167 9.5 案例分析9-2：串口中断167 9.5.1 初始化PLIC168 9.5.2 使能串口0的接收中断169 9.5.3 处理中断169 9.6 实验171 9.6.1 实验9-1：定时器中断171 9.6.2 实验9-2：使用汇编函数保存和恢复中断现场171 9.6.3 实验9-3：实现并调试串口0中断171 第 10章 内存管理172 10.1 内存管理基础知识172 10.1.1 内存管理的“远古时代”172 10.1.2 地址空间的抽象174 10.1.3 分段机制175 10.1.4 分页机制175 10.2 RISC-V内存管理178 10.2.1 页表分类179 10.2.2 Sv39页表映射180 10.2.3 Sv48页表映射182 10.2.4 页表项描述符183 10.2.5 页表属性185 10.2.6 与地址转换相关的寄存器186 10.3 物理内存属性与物理内存保护187 10.3.1 物理内存属性187 10.3.2 物理内存保护188 10.4 案例分析10-1：在BenOS里实现恒等映射190 10.4.1 页表定义191 10.4.2 页表数据结构193 10.4.3 创建页表193 10.4.4 打开MMU198 10.4.5 测试MMU198 10.4.6 图解页表创建的过程200 10.5 内存管理实验204 10.5.1 实验10-1：建立恒等映射204 10.5.2 实验10-2：为什么MMU无法运行205 10.5.3 实验10-3：实现一个MMU页表的转储功能205 10.5.4 实验10-4：修改页面属性205 10.5.5 实验10-5：使用汇编语言来建立恒等映射206 10.5.6 实验10-6：在MySBI中实现和验证PMP机制206 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 11.4.1 直接映射212 11.4.2 全相联映射213 11.4.3 组相联映射213 11.4.4 组相联的高速缓存的例子214 11.5 虚拟高速缓存与物理高速缓存215 11.5.1 物理高速缓存215 11.5.2 虚拟高速缓存215 11.5.3 VIPT和PIPT215 11.6 重名和同名问题216 11.6.1 重名问题217 11.6.2 同名问题217 11.6.3 VIPT产生的重名问题218 11.7 高速缓存策略220 11.8 高速缓存的维护指令221 11.8.1 高速缓存管理指令221 11.8.2 高速缓存预取指令222 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 12.2.1 缓存一致性协议发展历程225 12.2.2 缓存一致性分类226 12.2.3 系统缓存一致性问题227 12.3 缓存一致性的解决方案227 12.3.1 关闭高速缓存228 12.3.2 使用软件维护缓存一致性228 12.3.3 使用硬件维护缓存一致性228 12.4 MESI协议228 12.4.1 MESI协议简介229 12.4.2 本地读写与总线操作230 12.4.3 MESI状态转换230 12.4.4 初始状态为I231 12.4.5 初始状态为M233 12.4.6 初始状态为S234 12.4.7 初始状态为E234 12.4.8 小结与案例分析235 12.4.9 MOESI协议237 12.5 高速缓存伪共享237 12.6 两种缓存一致性控制器239 12.6.1 CCI缓存一致性控制器239 12.6.2 CCN缓存一致性控制器240 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 12.8.1 从内存到设备的FIFO缓冲区243 12.8.2 从设备的FIFO缓冲区到内存243 12.9 案例分析12-3：自修改代码的一致性244 12.10 实验245 12.10.1 实验12-1：高速缓存伪共享245 12.10.2 实验12-2：使用Perf C2C发现高速缓存伪共享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 13.2.1 重名问题249 13.2.2 同名问题250 13.3 ASID251 13.4 TLB管理指令253 13.4.1 TLB维护指令介绍253 13.4.2 TLB广播254 13.4.3 SFENCE.VMA指令使用场景256 13.5 TLB案例分析256 13.5.1 TLB在Linux内核中的应用256 13.5.2 ASID在Linux内核中的应用257 13.5.3 Linux内核中的TLB维护操作257 13.5.4 BBM机制259 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 14.3.1 独占监视器264 14.3.2 独占监视器与缓存一致性265 14.4 原子内存访问操作指令266 14.4.1 原子内存访问指令工作原理266 14.4.2 原子内存访问指令与LR SC指令的效率对比267 14.4.3 RISC-V中的原子内存访问指令268 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 15.1.1 顺序一致性内存模型276 15.1.2 处理器一致性内存模型277 15.1.3 弱一致性内存模型277 15.1.4 释放一致性内存模型278 15.1.5 MCA模型279 15.2 RISC-V约束条件280 15.2.1 全局内存次序与保留程序次序280 15.2.2 RVWMO的约束规则281 15.3 RISC-V中的内存屏障指令284 15.3.1 使用内存屏障的场景284 15.3.2 FENCE指令285 15.3.3 内置获取和释放屏障原语的指令285 15.3.4 FENCE.I指令286 15.3.5 SFENCE.VMA指令286 15.4 RISC-V内存屏障指令移植指南286 15.4.1 从RISC-V到x86体系结构286 15.4.2 从RISC-V到ARM体系结构287 15.4.3 Linux内核常用的内存屏障API函数287 15.5 案例分析288 15.5.1 消息传递问题288 15.5.2 单方向内存屏障与自旋锁289 15.5.3 邮箱传递消息290 15.5.4 关于DMA的案例291 15.5.5 在Linux内核中使指令高速缓存失效291 15.6 模拟和测试内存屏障故障291 15.6.1 使用Litmus测试工具集292 15.6.2 编写C程序来模拟295 15.7 实验297 15.7.1 实验15-1：编写Litmus脚本并测试内存一致性1297 15.7.2 实验15-2：编写Litmus脚本并测试内存一致性2298 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 16.4.1 第 一次使用内存屏障指令309 16.4.2 第二次使用内存屏障指令310 16.4.3 第三次使用内存屏障指令313 16.4.4 第四次使用内存屏障指令314 16.4.5 小结：内存屏障指令的使用315 16.5 实验315 16.5.1 实验16-1：验证和测试内存一致性1315 16.5.2 实验16-2：验证和测试内存一致性2315 16.5.3 实验16-3：验证和测试内存一致性3315 第 17章 与操作系统相关的内容316 17.1 C语言常见陷阱317 17.1.1 数据模型317 17.1.2 数据类型转换与整型提升318 17.1.3 移位操作320 17.2 创建进程320 17.2.1 进程控制块320 17.2.2 0号进程321 17.2.3 do_fork()函数的实现323 17.2.4 进程上下文切换324 17.2.5 新进程的第 一次执行326 17.3 简易进程调度器327 17.3.1 扩展进程控制块327 17.3.2 就绪队列327 17.3.3 调度类328 17.3.4 简易调度器的实现329 17.3.5 自愿调度330 17.3.6 抢占调度331 17.3.7 测试用例333 17.3.8 关于调度的思考333 17.4 让进程运行在用户模式335 17.5 系统调用338 17.5.1 系统调用介绍338 17.5.2 在用户模式下调用SVC指令338 17.5.3 在内核模式下对系统调用的处理339 17.5.4 系统调用表340 17.6 实现clone系统调用341 17.7 实验343 17.7.1 实验17-1：进程创建343 17.7.2 实验17-2：进程调度343 17.7.3 实验17-3：让进程运行在用户模式343 17.7.4 实验17-4：新增一个malloc()系统调用343 17.7.5 实验17-5：新增一个clone()系统调用344 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 18.1.1 SISD与SIMD345 18.1.2 定长计算与可变长矢量计算347 18.1.3 通道347 18.1.4 矢量与标量347 18.2 RVV寄存器348 18.2.1 矢量寄存器348 18.2.2 mstatus寄存器中的矢量上下文状态348 18.2.3 vtype寄存器348 18.2.4 vl寄存器350 18.2.5 vlenb寄存器351 18.2.6 vstart寄存器351 18.3 配置编译和运行环境351 18.3.1 搭建编译环境351 18.3.2 运行第 一个“hello RVV!”程序352 18.3.3 单步调试汇编程序353 18.3.4 单步调试C语言与汇编混合程序355 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 18.6.1 单位步长模式360 18.6.2 任意步长模式363 18.6.3 聚合加载 离散存储364 18.6.4 打包数据的加载与存储365 18.6.5 首次异常加载指令367 18.6.6 加载和存储全部矢量数据368 18.7 矢量掩码指令369 18.7.1 逻辑操作指令369 18.7.2 VCPOP.M指令369 18.7.3 VFIRST.M指令370 18.7.4 VMSBF.M指令370 18.7.5 VMSIF.M指令371 18.7.6 VMSOF.M指令372 18.8 矢量整型算术指令372 18.8.1 加宽和变窄算术指令372 18.8.2 加法和减法指令373 18.8.3 加宽模式的加法和减法指令374 18.8.4 位操作指令376 18.8.5 移位操作指令376 18.8.6 比较指令376 18.8.7 数据搬移指令377 18.9 案例分析18-1：使用RVV指令优化strcmp()函数377 18.9.1 使用纯汇编方式378 18.9.2 测试379 18.10 案例分析18-2：RGB24转BGR24380 18.10.1 使用C语言实现RGB24转BGR24380 18.10.2 使用RVV指令优化380 18.10.3 测试381 18.11 案例分析18-3：4 × 4矩阵乘法运算382 18.11.1 使用C语言实现4 × 4矩阵乘法运算382 18.11.2 使用RVV指令优化383 18.11.3 测试387 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 18.15.1 实验18-1：RGB24转BGR32391 18.15.2 实验18-2：8 × 8矩阵乘法运算391 18.15.3 实验18-3：使用RVV指令优化strcpy()函数391 18.15.4 实验18-4：使用RVV内置函数优化391 18.15.5 实验18-5：使用RVV优化转置矩阵的求法392 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 20.1.1 虚拟化技术的发展历史396 20.1.2 虚拟机管理程序的分类398 20.1.3 内存虚拟化398 20.1.4 I O虚拟化399 20.2 RISC-V虚拟化扩展399 20.2.1 CPU虚拟化扩展399 20.2.2 M模式下系统寄存器的扩展400 20.2.3 HS模式下的系统寄存器402 20.2.4 VS模式下的系统寄存器404 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 20.4.1 加载与存储虚拟机内存指令406 20.4.2 虚拟化内存屏障指令406 20.5 进入和退出虚拟机407 20.5.1 异常陷入408 20.5.2 异常返回408 20.5.3 新增的中断与异常类型409 20.6 中断虚拟化410 20.6.1 虚拟中断注入410 20.6.2 陷入与模拟411 20.7 案例分析20-1：进入和退出虚拟机412 20.7.1 进入虚拟机413 20.7.2 退出虚拟机414 20.8 案例分析20-2：建立虚拟化两阶段地址映射415 20.8.1 建立第二阶段的地址映射416 20.8.2 建立第 一阶段的地址映射418 20.8.3 测试419 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 20.12.1 实验20-1：加载虚拟机1429 20.12.2 实验20-2：加载虚拟机2430 20.12.3 实验20-3：虚拟化地址映射430 20.12.4 实验20-4：解析虚拟机陷入的指令430 20.12.5 实验20-5：在VMM中模拟实现vPLIC430 20.12.6 实验20-6：在虚拟机中加载并运行Linux内核430 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

作者简介 奔跑吧Linux社区 由一群热爱开源的工程师组成，致力于开源硬件和开源软件的推广。 审校者简介 香山处理器团队 面向世界的体系结构创新开源平台，目前已形成由多家企业组成的香山联合开发团队。其中，香山处理器是由中国科学院计算技术研究所发起的开源高性能RISC-V处理器核项目。 龙蜥社区RISC-V SIG 坚持开放、开源，致力于龙蜥社区以及 RISCV 软硬件生态的共建和推广。 进迭时空 专注研发新一代高性能RISC-V处理器和计算系统，让开发者基于RISC-V芯片更自由地开发更有创意的新应用。

本书旨在介绍RISC-V体系结构的设计和实现。本书首先介绍RISC-V体系结构的基础知识、实验环境搭建、常用指令、函数调用规范与栈，然后讲述GNU汇编器、链接器、链接脚本和GCC内嵌汇编代码，接着讨论RISC-V体系结构中的异常处理、中断、内存管理、高速缓存、缓存一致性、TLB管理、原子操作、内存屏障指令，最后阐述RSIC-V体系结构中的压缩指令扩展、虚拟化扩展等。 本书不仅适合软件开发人员阅读，还可以作为计算机相关专业和相关培训机构的教材。

一本书带你了解谷歌、苹果等科技巨头看好的RISC-V体系结构 1.一线芯片公司工程师撰写，系统介绍RISC-V体系结构，总结常见陷阱以及项目经验 2.图文并茂，用通俗易懂的语言讲述RISC-V体系结构中的疑难点 3.充实理论+有趣实验，助力读者快速掌握RISC-V体系结构 4.实用丰富的配套资源，随书赠送参考代码、实验环境和免费视频讲解 本书主要内容： RISC-V体系结构基础知识以及香山处理器微架构实现； RISC-V实验环境的搭建； RISC-V指令集中常用指令、RISC-V函数的调用规范与栈； GNU汇编器、链接器、链接脚本和GCC内嵌汇编代码。 RISC-V体系结构中的中断和异常处理； RISC-V体系结构中的内存管理、高速缓存、缓存一致性； RISC-V体系结构中的TLB管理、原子操作和内存屏障指令； RSIC-V体系结构中的压缩指令扩展； RISC-V体系结构中的虚拟化扩展； RISC-V体系结构中的可伸缩矢量指令扩展。