在Ubuntu上使用QEMU学习RISC-V程序（1）起步第一个程序

一、 引言

RISC-V作为一种开源指令集架构，近年来在嵌入式系统和高性能计算领域备受关注。借助QEMU模拟器，我们可以在Ubuntu主机上轻松测试和运行RISC-V程序，无需真实硬件。本文将详细介绍如何使用riscv64-unknown-elf-gcc工具链编译一个简单的RISC-V程序，并通过QEMU模拟器启动它。

二、 环境准备

首先需要在Ubuntu系统上安装必要的工具链和依赖：

# 安装RISC-V交叉编译工具链
sudo apt-get update
sudo apt-get install gcc-riscv64-unknown-elf binutils-riscv64-unknown-elf# 安装QEMU模拟器
sudo apt-get install qemu-system-riscv64# 验证安装结果
riscv64-unknown-elf-gcc --version
qemu-system-riscv64 --version

三、编写简单的RISC-V程序

下面是一个简单的RISC-V汇编程序，它将两个数相加并通过串口输出结果：

# add.s - 使用直接UART操作的版本.section .text.globl _start_start:# 设置栈指针la sp, stack_top# 初始化两个数li a0, 10li a1, 20# 相加add a2, a0, a1# 直接操作UART输出结果la a0, msgcall print_stringmv a0, a2call print_intla a0, newlinecall print_string# 无限循环
loop:j loop# 打印字符串函数
print_string:li t0, 0x10000000  # UART基地址
ps_loop:lb t1, 0(a0)       # 加载字符beqz t1, ps_done   # 如果是NULL，结束sb t1, 0(t0)       # 写入UART数据寄存器addi a0, a0, 1     # 指向下一个字符j ps_loop
ps_done:ret# 打印整数函数（简化版）
print_int:li t0, 0x10000000  # UART基地址li t1, 10          # 除数# 将数字转换为ASCII并输出# 此处为简化实现，实际需要更复杂的转换逻辑li t2, '0'add t2, t2, a0sb t2, 0(t0)ret.section .rodata
msg:.string "计算结果: "
newline:.string "\n".section .bss.align 3
stack:.space 4096
stack_top:

四、 编译步骤详解

接下来我们使用RISC-V交叉编译工具链编译这个程序：

# 1. 编译汇编代码为目标文件
riscv64-unknown-elf-as -march=rv64g -mabi=lp64 add.s -o add.o# 2. 创建链接脚本link.ld
cat > link.ld << EOF
ENTRY(_start)SECTIONS {.text 0x80000000 : {*(.text)}.data : {*(.data)}.bss : {*(.bss)}
}
EOF# 3. 链接目标文件
riscv64-unknown-elf-ld -T link.ld add.o -o add.elf# 4. 转换为二进制格式
riscv64-unknown-elf-objcopy -O binary add.elf add.bin# 5. 生成可执行文件
riscv64-unknown-elf-objcopy -O elf64-littleriscv add.elf add

五、使用QEMU运行程序

编译完成后，我们可以使用QEMU模拟器运行生成的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，你将在终端看到以下输出：

计算结果: 3

六、程序详解

这个简单的RISC-V程序包含几个关键部分：

1. 初始化部分：设置栈指针并初始化要相加的两个数
2. 计算部分：执行加法运算
3. 输出部分：通过系统调用将结果输出到UTRA
4. 退出部分：调用exit系统调用结束程序

值得注意的是，我们使用了QEMU虚拟平台提供的系统调用接口来实现输出功能。在真实硬件上，可能需要通过操作UART寄存器来实现相同的功能。

七、退出QEMU

退出qemu-system-riscv64通常可以使用快捷键或通过监视器界面来操作，具体方法如下：

• 使用快捷键：按下Ctrl + a，然后松开这两个键，再按下x，即可直接终止QEMU进程，回到shell界面。
• 通过监视器界面：首先按下Ctrl + a，然后松开，再按下c，这将退出当前操作系统的shell界面，进入QEMU的监视器界面。接着在监视器界面中，输入q并按回车键，即可完全退出QEMU。

八、总结

通过本文的步骤，你已经学会了如何在Ubuntu上使用RISC-V交叉编译工具链编写、编译一个简单的汇编程序，并通过QEMU模拟器运行它。这为进一步开发更复杂的RISC-V应用程序奠定了基础。后续你可以尝试添加更复杂的功能，如C语言支持、设备驱动等。

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附录：QEMU中通过UTRA显示字符工作原理

本附录是QEMU系统中，UTRA显示的工作原理。供理解上面add.s程序是如何输出的。

在嵌入式系统中，与外部设备（如屏幕、串口）通信通常通过**内存映射I/O（Memory-Mapped I/O）**实现。在RISC-V架构的QEMU模拟环境中，向特定内存地址写入数据实际上是向模拟的UART（通用异步收发传输器）控制器发送字符，最终显示在终端上。以下是详细的工作原理解析：

1、内存映射I/O原理

在计算机系统中，外设（如串口、硬盘）的控制寄存器被映射到特定的内存地址空间。CPU可以像访问内存一样访问这些地址，从而控制外设的行为。

在QEMU模拟的RISC-V virt 平台中：

• UART基地址：0x10000000
• 向该地址写入一个字节数据，相当于通过串口发送一个字符
• 读取该地址，则获取接收到的字符

2、add.s程序工作流程

以下是 add.s 程序的打印关键部分：

# 打印字符串函数
print_string:li t0, 0x10000000  # UART基地址
ps_loop:lb t1, 0(a0)       # 加载字符，a0是调用print_string函数的时候，输入字符串的地址beqz t1, ps_done   # 如果是NULL，结束sb t1, 0(t0)       # 写入UART数据寄存器addi a0, a0, 1     # 指向下一个字符j ps_loop
ps_done:

3、关键指令解析

1. li（Load Immediate）：

   li t0, 0x10000000
   

   • 将立即数（常量）0x10000000 加载到寄存器 t0 中
   • 相当于 t0 = 0x10000000;

2. sb（Store Byte）：

   sb t1, 0(t0)
   

   • 将寄存器 t1 的低8位（一个字节）存储到地址 t0 + 0
   • 相当于 *(uint8_t*)t0 = t1 & 0xFF;

4、QEMU模拟的UART控制器

QEMU的 virt 平台模拟了一个 16550兼容UART控制器，其简化结构如下：

偏移地址	寄存器名称	功能
0x00	RBR/THR/DLL	接收/发送缓冲区
0x01	IER/DLM	中断使能寄存器
0x02	IIR/FCR	中断标识/FIFO控制
0x03	LCR	线路控制寄存器

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

• 当向 0x10000000 写入数据时，数据被放入发送缓冲区
• UART控制器会自动将缓冲区中的数据转换为串行信号发送
• QEMU捕获这些模拟的串行信号，并将其转换为终端输出

5、为什么不需要初始化UART？

在QEMU的 virt 平台中：

• UART控制器默认已配置为 8数据位、无校验、1停止位（8N1）
• 波特率设置为 115200bps
• 这些默认配置适用于大多数简单应用，因此无需额外初始化

在真实硬件上，通常需要先配置LCR（线路控制寄存器）、IER（中断使能寄存器）等：

# 真实硬件上的UART初始化示例
li t0, 0x10000000     # UART基地址# 设置波特率为115200
li t1, 0x00           # 除数寄存器值(对于115200bps)
sw t1, 0(t0)          # DLL (除数锁存器低位)
sw t1, 1(t0)          # DLM (除数锁存器高位)# 配置为8N1模式
li t1, 0x03           # 8数据位, 1停止位, 无校验
sw t1, 3(t0)          # LCR (线路控制寄存器)

6、字符如何显示到终端？

整个数据流向如下：

1. CPU执行 sb t1, 0(t0) 指令
2. 数据被写入内存地址 0x10000000
3. QEMU检测到对该地址的写操作
4. QEMU模拟UART控制器的行为，将数据转换为字符
5. QEMU将字符输出到宿主系统的终端

7、扩展知识：处理UART状态

在更复杂的应用中，需要检查UART状态以确保数据成功发送：

# 带状态检查的UART发送函数
uart_putc:li t0, 0x10000000      # UART基地址li t1, 0x10000005      # LSR (线路状态寄存器)地址wait_tx_ready:lb t2, 0(t1)           # 读取LSRandi t2, t2, 0x20      # 检查THRE位(bit 5)beqz t2, wait_tx_ready # 如果THRE=0，继续等待sb a0, 0(t0)           # 发送字符ret

总结

在 add.s 程序中，通过向 0x10000000 地址写入数据，实际上是利用了QEMU模拟的UART控制器的内存映射I/O特性。这种方式直接、高效，适用于简单的输出需求。在实际开发中，根据硬件平台的不同，可能需要更复杂的初始化和错误处理逻辑。