1. RISC-V 架构基础：指令集、特权模式与汇编入门
各位同学，欢迎来到第一课。做嵌入式开发这么多年，我接触过 ARM、MIPS、x86，但 RISC-V 给我的感觉最特别。它不像一个商业产品，更像一套开放的标准——你完全可以按需裁剪。今天我们就从最核心的三个点入手：指令集长什么样、特权层级怎么分、汇编怎么写。
1.1 RISC-V 指令集概述
RISC-V 是一个模块化的指令集架构。什么叫模块化？说白了，它有一个最小的核心指令集（RV32I / RV64I），然后你可以往上加扩展模块，比如乘除法（M）、原子操作（A）、单精度浮点（F）、双精度浮点（D）等等。
| 扩展名 | 全称 | 典型指令数 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| RV32I | 32位整数基础集 | 47条 | 所有处理器必备 |
| M | 乘除法扩展 | 8条 | 需要硬件乘除的MCU |
| A | 原子操作扩展 | 11条 | 多核/多线程同步 |
| F/D | 单/双精度浮点 | 26/26条 | DSP、科学计算 |
| C | 压缩指令扩展 | 46条 | 代码密度敏感场景 |
核心要点：RV32I 只有 47 条指令，每条指令长度固定为 32 位。这意味着译码器可以做得非常简单——我在做第一个 RISC-V 软核时，指令译码只用了不到 200 行 Verilog。
指令格式上，RISC-V 只有 6 种基本类型：R 型（寄存器-寄存器）、I 型（立即数）、S 型（存储）、B 型（分支）、U 型（高位立即数）、J 型（跳转）。每种格式的指令字段位置是固定的，译码器不需要查表就能拆出操作码和寄存器号。
# R 型指令格式示例：ADD x1, x2, x3
# [funct7][rs2][rs1][funct3][rd][opcode]
# 0000000 00011 00010 000 00001 0110011
# 这条指令把 x2 和 x3 相加，结果写入 x11.2 特权架构与机器模式
RISC-V 定义了三种特权模式：机器模式（M-mode）、监管模式（S-mode）、用户模式（U-mode）。嵌入式系统里，我们最常打交道的是机器模式——它是权限最高的模式，也是芯片上电后默认进入的模式。
我的经验：在裸机开发中，你几乎全程都跑在 M-mode 下。只有跑 Linux 或 RTOS 时，才会用到 S-mode 和 U-mode。我刚开始做 RISC-V 移植时，一直搞不清 M-mode 和 S-mode 的中断处理差异，后来踩了个坑——M-mode 的中断默认不经过 stvec，而是直接走 mtvec。这个区别在写中断向量表时特别重要。
机器模式下，你有一组控制状态寄存器（CSR），用来配置处理器核心行为。常用的几个：
- mtvec：机器模式中断向量基地址
- mstatus：机器模式状态寄存器，控制全局中断使能
- mie：机器模式中断使能寄存器，按位控制每种中断
- mepc：异常返回地址，发生异常时硬件自动写入
- mcause：异常原因寄存器，告诉你发生了什么异常
为什么会需要这么多 CSR？因为 RISC-V 把异常处理、中断控制、内存保护等功能全部通过 CSR 暴露给软件。你想想看，没有这些寄存器，你连关个中断都做不到。
注意：访问 CSR 指令是特权指令。在 M-mode 下你可以读写所有 CSR，但在 U-mode 下访问大部分 CSR 会触发非法指令异常。我曾经在调试一个用户态程序时，忘记关掉对 mcycle 的读取，结果程序一跑就崩——查了半天才发现是权限问题。
1.3 RISC-V 汇编基础
写驱动离不开汇编。至少你要能看懂启动代码、中断入口、上下文切换这几段。RISC-V 的汇编语法跟 GNU Assembler 风格一致，指令格式是：
操作码 目标寄存器, 源寄存器1, 源寄存器2/立即数来看几个最常用的指令：
| 指令 | 示例 | 含义 |
|---|---|---|
| add | add t0, t1, t2 | t0 = t1 + t2 |
| addi | addi t0, t1, 5 | t0 = t1 + 5 |
| lw | lw t0, 0(sp) | 从 sp+0 加载字到 t0 |
| sw | sw t0, 4(sp) | 将 t0 存储到 sp+4 |
| beq | beq t0, t1, label | 如果 t0==t1 跳转到 label |
| jal | jal ra, func | 跳转到 func，返回地址存 ra |
| csrr | csrr t0, mcause | 读取 mcause 到 t0 |
| csrw | csrw mtvec, t0 | 将 t0 写入 mtvec |
寄存器命名上，RISC-V 有 32 个通用寄存器 x0~x31。x0 是硬编码的零寄存器，读它永远得 0，写它无效。其他寄存器有 ABI 名称，写汇编时建议用 ABI 名，代码可读性会好很多。
# 一个简单的启动代码片段
.section .text.init
.globl _start
_start:
# 设置栈指针
la sp, _stack_top
# 设置中断向量表
la t0, trap_handler
csrw mtvec, t0
# 使能全局中断
csrsi mstatus, 0x8
# 跳转到 main
jal ra, main
# 死循环
loop:
j loop避坑指南：写 RISC-V 汇编时，最容易犯的错误是忘记 x0 是只读零寄存器。我曾经在写一个 memcpy 的内联汇编时，不小心把 x0 当成了临时寄存器用——结果数据全被清零了。另外，RISC-V 没有专门的压栈出栈指令，你需要手动操作 sp 和内存，记得在函数入口和出口成对使用。
最后，我们来看一张 RISC-V 架构的整体关系图，把今天讲的内容串起来：
这张图把今天的内容串起来了。指令集是基础，特权架构是规则，汇编是工具。三者缺一不可。后面的章节里，我们会反复用到这些知识——写 GPIO 驱动时要用 CSR 配置中断，写 UART 驱动时要理解 M-mode 下的异常处理流程。