一、 引言

RISC-V作為一種開源指令集架構，近年來在嵌入式系統和高性能計算領域備受關注。借助QEMU模擬器，我們可以在Ubuntu主機上輕松測試和運行RISC-V程序，無需真實硬件。本文將詳細介紹如何使用riscv64-unknown-elf-gcc工具鏈編譯一個簡單的RISC-V程序，并通過QEMU模擬器啟動它。

二、 環境準備

首先需要在Ubuntu系統上安裝必要的工具鏈和依賴：

# 安裝RISC-V交叉編譯工具鏈
sudo apt-get update
sudo apt-get install gcc-riscv64-unknown-elf binutils-riscv64-unknown-elf# 安裝QEMU模擬器
sudo apt-get install qemu-system-riscv64# 驗證安裝結果
riscv64-unknown-elf-gcc --version
qemu-system-riscv64 --version

三、編寫簡單的RISC-V程序

下面是一個簡單的RISC-V匯編程序，它將兩個數相加并通過串口輸出結果：

# add.s - 使用直接UART操作的版本.section .text.globl _start_start:# 設置棧指針la sp, stack_top# 初始化兩個數li a0, 10li a1, 20# 相加add a2, a0, a1# 直接操作UART輸出結果la a0, msgcall print_stringmv a0, a2call print_intla a0, newlinecall print_string# 無限循環
loop:j loop# 打印字符串函數
print_string:li t0, 0x10000000  # UART基地址
ps_loop:lb t1, 0(a0)       # 加載字符beqz t1, ps_done   # 如果是NULL，結束sb t1, 0(t0)       # 寫入UART數據寄存器addi a0, a0, 1     # 指向下一個字符j ps_loop
ps_done:ret# 打印整數函數（簡化版）
print_int:li t0, 0x10000000  # UART基地址li t1, 10          # 除數# 將數字轉換為ASCII并輸出# 此處為簡化實現，實際需要更復雜的轉換邏輯li t2, '0'add t2, t2, a0sb t2, 0(t0)ret.section .rodata
msg:.string "計算結果: "
newline:.string "\n".section .bss.align 3
stack:.space 4096
stack_top:

四、 編譯步驟詳解

接下來我們使用RISC-V交叉編譯工具鏈編譯這個程序：

# 1. 編譯匯編代碼為目標文件
riscv64-unknown-elf-as -march=rv64g -mabi=lp64 add.s -o add.o# 2. 創建鏈接腳本link.ld
cat > link.ld << EOF
ENTRY(_start)SECTIONS {.text 0x80000000 : {*(.text)}.data : {*(.data)}.bss : {*(.bss)}
}
EOF# 3. 鏈接目標文件
riscv64-unknown-elf-ld -T link.ld add.o -o add.elf# 4. 轉換為二進制格式
riscv64-unknown-elf-objcopy -O binary add.elf add.bin# 5. 生成可執行文件
riscv64-unknown-elf-objcopy -O elf64-littleriscv add.elf add

五、使用QEMU運行程序

編譯完成后，我們可以使用QEMU模擬器運行生成的RISC-V程序：

qemu-system-riscv64 \-machine virt \-cpu rv64 \-m 128M \-nographic \-bios none \-kernel add.elf \

如果一切正常，你將在終端看到以下輸出：

計算結果: 3

六、程序詳解

這個簡單的RISC-V程序包含幾個關鍵部分：

1. 初始化部分：設置棧指針并初始化要相加的兩個數
2. 計算部分：執行加法運算
3. 輸出部分：通過系統調用將結果輸出到UTRA
4. 退出部分：調用exit系統調用結束程序

值得注意的是，我們使用了QEMU虛擬平臺提供的系統調用接口來實現輸出功能。在真實硬件上，可能需要通過操作UART寄存器來實現相同的功能。

七、退出QEMU

退出qemu-system-riscv64通常可以使用快捷鍵或通過監視器界面來操作，具體方法如下：

• 使用快捷鍵：按下Ctrl + a，然后松開這兩個鍵，再按下x，即可直接終止QEMU進程，回到shell界面。
• 通過監視器界面：首先按下Ctrl + a，然后松開，再按下c，這將退出當前操作系統的shell界面，進入QEMU的監視器界面。接著在監視器界面中，輸入q并按回車鍵，即可完全退出QEMU。

八、總結

通過本文的步驟，你已經學會了如何在Ubuntu上使用RISC-V交叉編譯工具鏈編寫、編譯一個簡單的匯編程序，并通過QEMU模擬器運行它。這為進一步開發更復雜的RISC-V應用程序奠定了基礎。后續你可以嘗試添加更復雜的功能，如C語言支持、設備驅動等。

---

附錄：QEMU中通過UTRA顯示字符工作原理

本附錄是QEMU系統中，UTRA顯示的工作原理。供理解上面add.s程序是如何輸出的。

在嵌入式系統中，與外部設備（如屏幕、串口）通信通常通過**內存映射I/O（Memory-Mapped I/O）**實現。在RISC-V架構的QEMU模擬環境中，向特定內存地址寫入數據實際上是向模擬的UART（通用異步收發傳輸器）控制器發送字符，最終顯示在終端上。以下是詳細的工作原理解析：

1、內存映射I/O原理

在計算機系統中，外設（如串口、硬盤）的控制寄存器被映射到特定的內存地址空間。CPU可以像訪問內存一樣訪問這些地址，從而控制外設的行為。

在QEMU模擬的RISC-V virt 平臺中：

• UART基地址：0x10000000
• 向該地址寫入一個字節數據，相當于通過串口發送一個字符
• 讀取該地址，則獲取接收到的字符

2、add.s程序工作流程

以下是 add.s 程序的打印關鍵部分：

# 打印字符串函數
print_string:li t0, 0x10000000  # UART基地址
ps_loop:lb t1, 0(a0)       # 加載字符，a0是調用print_string函數的時候，輸入字符串的地址beqz t1, ps_done   # 如果是NULL，結束sb t1, 0(t0)       # 寫入UART數據寄存器addi a0, a0, 1     # 指向下一個字符j ps_loop
ps_done:

3、關鍵指令解析

1. li（Load Immediate）：

   li t0, 0x10000000
   

   • 將立即數（常量）0x10000000 加載到寄存器 t0 中
   • 相當于 t0 = 0x10000000;

2. sb（Store Byte）：

   sb t1, 0(t0)
   

   • 將寄存器 t1 的低8位（一個字節）存儲到地址 t0 + 0
   • 相當于 *(uint8_t*)t0 = t1 & 0xFF;

4、QEMU模擬的UART控制器

QEMU的 virt 平臺模擬了一個 16550兼容UART控制器，其簡化結構如下：

偏移地址	寄存器名稱	功能
0x00	RBR/THR/DLL	接收/發送緩沖區
0x01	IER/DLM	中斷使能寄存器
0x02	IIR/FCR	中斷標識/FIFO控制
0x03	LCR	線路控制寄存器

在 test.s 中，我們直接操作的是 THR（Transmitter Holding Register）：

• 當向 0x10000000 寫入數據時，數據被放入發送緩沖區
• UART控制器會自動將緩沖區中的數據轉換為串行信號發送
• QEMU捕獲這些模擬的串行信號，并將其轉換為終端輸出

5、為什么不需要初始化UART？

在QEMU的 virt 平臺中：

• UART控制器默認已配置為 8數據位、無校驗、1停止位（8N1）
• 波特率設置為 115200bps
• 這些默認配置適用于大多數簡單應用，因此無需額外初始化

在真實硬件上，通常需要先配置LCR（線路控制寄存器）、IER（中斷使能寄存器）等：

# 真實硬件上的UART初始化示例
li t0, 0x10000000     # UART基地址# 設置波特率為115200
li t1, 0x00           # 除數寄存器值(對于115200bps)
sw t1, 0(t0)          # DLL (除數鎖存器低位)
sw t1, 1(t0)          # DLM (除數鎖存器高位)# 配置為8N1模式
li t1, 0x03           # 8數據位, 1停止位, 無校驗
sw t1, 3(t0)          # LCR (線路控制寄存器)

6、字符如何顯示到終端？

整個數據流向如下：

1. CPU執行 sb t1, 0(t0) 指令
2. 數據被寫入內存地址 0x10000000
3. QEMU檢測到對該地址的寫操作
4. QEMU模擬UART控制器的行為，將數據轉換為字符
5. QEMU將字符輸出到宿主系統的終端

7、擴展知識：處理UART狀態

在更復雜的應用中，需要檢查UART狀態以確保數據成功發送：

# 帶狀態檢查的UART發送函數
uart_putc:li t0, 0x10000000      # UART基地址li t1, 0x10000005      # LSR (線路狀態寄存器)地址wait_tx_ready:lb t2, 0(t1)           # 讀取LSRandi t2, t2, 0x20      # 檢查THRE位(bit 5)beqz t2, wait_tx_ready # 如果THRE=0，繼續等待sb a0, 0(t0)           # 發送字符ret

總結

在 add.s 程序中，通過向 0x10000000 地址寫入數據，實際上是利用了QEMU模擬的UART控制器的內存映射I/O特性。這種方式直接、高效，適用于簡單的輸出需求。在實際開發中，根據硬件平臺的不同，可能需要更復雜的初始化和錯誤處理邏輯。