裸机 RISC-V CPU - 处理器如何知道从哪个地址开始获取指令？

Question

我正在设计自己的 RISC-V CPU 并且已经能够实现一些指令代码。

我已经安装了 GCC 编译器的 RV32I 版本，所以我现在可以使用 assembler riscv32-unknown-elf-as。

我正在尝试 assemble 一个只有一条指令的程序：

# simple.asm
add x5,x6,x7

我用 assembler 编译它，然后用这个命令运行 objdump：

riscv32-unknown-elf-as simple.asm -o simple
riscv32-unknown-elf-objdump -D simple

这将打印出以下内容：

new:     file format elf32-littleriscv


Disassembly of section .text:

00000000 <.text>:
   0:   007302b3                add     t0,t1,t2

Disassembly of section .riscv.attributes:

00000000 <.riscv.attributes>:
   0:   2d41                    jal     0x690
   2:   0000                    unimp
   4:   7200                    flw     fs0,32(a2)
   6:   7369                    lui     t1,0xffffa
   8:   01007663                bgeu    zero,a6,0x14
   c:   00000023                sb      zero,0(zero) # 0x0
  10:   7205                    lui     tp,0xfffe1
  12:   3376                    fld     ft6,376(sp)
  14:   6932                    flw     fs2,12(sp)
  16:   7032                    flw     ft0,44(sp)
  18:   5f30                    lw      a2,120(a4)
  1a:   326d                    jal     0xfffff9c4
  1c:   3070                    fld     fa2,224(s0)
  1e:   615f 7032 5f30          0x5f307032615f
  24:   3266                    fld     ft4,120(sp)
  26:   3070                    fld     fa2,224(s0)
  28:   645f 7032 0030          0x307032645f

我的问题是：

这是怎么回事？我以为我会有一个简单的单行十六进制，但还有很多事情要做。
如何指示我的处理器开始读取特定内存地址的指令？看起来 objdump 也不知道指令将从哪里开始。

需要说明的是，此时我将我的处理器视为裸机。我想我会在处理器中硬编码指令从内存地址 X 开始，数据在内存地址 Y 可用，堆栈在内存地址 Z 可用。这是正确的吗？或者这是错误的方法？

Answer 1

how does the processor know which address to start fetching instructions from?

实际的 CPU 本身会有一些硬连线地址，它会在重置/开机时从中获取这些地址。通常，系统将在该物理地址处设计有 ROM 或闪存。（该 ROM 可能具有用于 ELF 程序加载器的早期引导代码，它将尊重 ELF 入口点元数据以从 ROM 设置 ELF 内核映像，或者您可以 link 具有正确代码的平面二进制文件二进制文件的开头。)

What is going on here? I thought I'd have a simple single line of hex, but there's a lot more going on.

您的 objdump -D 不包含 assemble 所有 ELF 部分，而不仅仅是 .text。如您所见，.text 部分中只有一条指令，如果您使用 objdump -d，就会看到这样的指令。（我通常使用 objdump -drwC，虽然 -w 没有换行可能与 RISC-V 无关，不像 x86，其中单个 insn 可能很长。）

Would it be possible to pass the file I compiled above as is to my processor?

可能不是您想象的那样。另请注意，您为输出选择了错误的文件名。 as 生成目标文件（通常为 .o），而不是可执行文件。您可以将 link 和 ld 放入平面二进制文件中，或者 link 和 objcopy 中的 .text 部分。

（理论上您可以将整个 ELF 可执行文件甚至目标文件放入 ROM，这样 .text 部分恰好从 CPU 将从中获取的位置开始，但不会查看元数据字节。因此 ELF 可执行文件中的 ELF 入口点地址元数据将无关紧要。）

.o 和可执行文件之间的区别：.o 只是有重定位元数据供 link 用户填写实际地址，绝对用于 la 伪-指令，或的相关文件，例如多个 .o 文件，其中一个文件引用另一个文件的符号。（否则可以在assemble时计算相对位移，而不是在link时计算。）

因此，如果您的代码使用任何标签作为内存地址，则需要 linker 在您的代码中填写这些重定位条目。然后，您可以 objcopy 编辑 link 的 ELF 可执行文件中的某些部分。或者使用 linker 脚本来设置平面二进制文件的布局。

对于只有 add、没有 la 或其他任何东西的简单情况，没有重定位条目，因此 .o 中的文本部分与 link编辑可执行文件。

使用 objcopy 也很棘手的是静态数据，例如.data 和 .bss 部分。如果您将只是 .text 部分复制到平面二进制文件，您将不会在任何地方拥有数据。（但是在 ROM 中，您需要一个启动函数，将 .data 的静态初始值设定项从 ROM 复制到 RAM，并将 .bss space 归零。如果您想编写 asm 源代码要有一个看起来正常的 .data 非零值部分，你会希望你的构建脚本计算出要复制的大小，这样你的启动函数就可以使用它，而不是必须手动完成所有这些。）

Answer 2

@PeterCordes 的回答让我走上了正确的道路。我终于想出了如何生成我可以使用的原始内存转储文件。

步骤如下：

修改了程序集文件以具有 .text 和 .data 部分以及 _start 标签。我的 simple.asm 文件现在如下所示：
```
.globl _start

.text
_start:
  add x5,x6,x7

.data
L1: .word 27
```
Assemble 使用以下命令将 .asm 复制到 .o 文件：
```
riscv32-unknown-elf-as simple.asm -o simple.o
```

为特定处理器创建一个链接描述文件。我遵循了这个令人惊奇的 video，它介绍了从头开始创建链接描述文件的过程。现在，我只需要 .text 和 .data 部分。所以我的链接描述文件（mycpu.ld）如下所示：

OUTPUT_FORMAT("elf32-littleriscv", "elf32-littleriscv", "elf32-littleriscv")
ENTRY(_start)

MEMORY
{
  DATA (rwx) : ORIGIN = 0x0, LENGTH = 0x80
  INST (rx) : ORIGIN = 0x80, LENGTH = 0x80
}

SECTIONS
{
  .data :
  {
    *(.data)
  }> DATA

  .text :
  {
    *(.text)
  }> INST
}

使用自动调用 riscv32-unknown-elf-ld:
的 riscv32-unknown-elf-gcc 生成 ELF 文件
```
riscv32-unknown-elf-gcc -nostdlib -T mycpu.ld -o simple.elf simple.o
```
从 .elf 文件创建一个原始二进制或十六进制文件，我将使用它来填充内存的内容。
```
riscv32-unknown-elf-objcopy -O binary simple.elf simple.hex
```

最终 simple.hex 包含以下内容（使用 hexyl）：

┌────────┬─────────────────────────┬─────────────────────────┬────────┬────────┐
│00000000│ 1b 00 00 00 00 00 00 00 ┊ 00 00 00 00 00 00 00 00 │•0000000┊00000000│
│00000010│ 00 00 00 00 00 00 00 00 ┊ 00 00 00 00 00 00 00 00 │00000000┊00000000│
│00000020│ 00 00 00 00 00 00 00 00 ┊ 00 00 00 00 00 00 00 00 │00000000┊00000000│
│00000030│ 00 00 00 00 00 00 00 00 ┊ 00 00 00 00 00 00 00 00 │00000000┊00000000│
│00000040│ 00 00 00 00 00 00 00 00 ┊ 00 00 00 00 00 00 00 00 │00000000┊00000000│
│00000050│ 00 00 00 00 00 00 00 00 ┊ 00 00 00 00 00 00 00 00 │00000000┊00000000│
│00000060│ 00 00 00 00 00 00 00 00 ┊ 00 00 00 00 00 00 00 00 │00000000┊00000000│
│00000070│ 00 00 00 00 00 00 00 00 ┊ 00 00 00 00 00 00 00 00 │00000000┊00000000│
│00000080│ b3 02 73 00             ┊                         │×•s0    ┊        │
└────────┴─────────────────────────┴─────────────────────────┴────────┴────────┘

其中 b3027300 是 add x5,x6,x7 的十六进制值。

就是这样！非常感谢@PeterCordes 的帮助！ :)

裸机 RISC-V CPU - 处理器如何知道从哪个地址开始获取指令？

Bare metal RISC-V CPU - how does the processor know which address to start fetching instructions from?

assembly

cpu-architecture

elf

riscv

riscv32