RISC-V开发环境搭建

RISC-V开发环境搭建

目录

• 1.1 QEMU模拟器
  • 1.1.1 QEMU简介
  • 1.1.2 QEMU Virt实验平台特性
  • 1.1.3 QEMU优势
• 1.2 开发环境配置
  • 1.2.1 系统要求
  • 1.2.2 安装QEMU
  • 1.2.3 安装RISC-V编译器
    • 1.2.3.1 官方工具链安装
    • 1.2.3.2 验证编译器安装
    • 1.2.3.3 编译测试程序
  • 1.2.4 验证安装
• 1.3 调试工具
  • 1.3.1 GDB调试器
    • 1.3.1.1 远程调试
  • 1.3.2 VS Code调试配置
    • 1.3.2.1 安装必要扩展
    • 1.3.2.2 配置launch.json
    • 1.3.2.3 调试步骤
• VS Code调试界面示例

---

1.1 模拟器选择

1.1.1 QEMU模拟器

QEMU Virt实验平台模拟的是一款通用的RISC-V开发板，为RISC-V架构学习和开发提供了完整的仿真环境。

1.1.2 NEMU模拟器

NEMU是一个轻量级的RISC-V模拟器，由中科院计算所开发，专门用于教学和学习RISC-V架构。

1.1.3 QEMU Virt实验平台特性

QEMU Virt平台支持以下硬件特性：

• ✅ 最多支持8个RV32GC/RV64GC通用处理器核心
• ✅ 支持CLINT本地中断控制器
• ✅ 支持PLIC中断控制器
• ✅ 支持NOR Flash
• ✅ 支持兼容NS16550的串口
• ✅ 支持RTC
• ✅ 支持8个VirtIO-MMIO传输设备
• ✅ 支持1个PCIe主机桥接设备
• ✅ 支持fw_cfg，用于从QEMU获取固件配置信息

1.1.4 QEMU优势

QEMU基本能满足我们学习RISC-V体系结构的要求，而且免费，调试方便

主要优势：

1. 免费开源：无需购买昂贵的硬件开发板
2. 功能完整：支持完整的RISC-V指令集和硬件特性
3. 调试便利：提供丰富的调试功能和接口
4. 学习友好：适合初学者理解RISC-V架构
5. 可扩展性：支持多种RISC-V配置和扩展

1.1.5 NEMU优势

主要优势：

1. 轻量级：代码简洁，易于理解和学习
2. 教学友好：专门为教学设计，注释详细
3. 调试便利：提供丰富的调试功能和接口
4. 开源免费：完全开源，适合学习研究
5. 中文支持：有中文文档和社区支持

1.2 开发环境配置

1.2.1 系统要求

• 操作系统：Ubuntu 24.04 LTS
• 内存：建议8GB以上
• 存储：至少10GB可用空间

1.2.2 安装模拟器

1.2.2.1 安装QEMU

sudo apt update
sudo apt install qemu-system-misc

1.2.2.2 安装NEMU

NEMU是一个轻量级的RISC-V模拟器，适合教学和学习使用：

# 克隆NEMU源码
git clone https://github.com/OpenXiangShan/NEMU.git
cd NEMU# 安装依赖
sudo apt install build-essential libreadline-dev# 配置和编译
make menuconfig
make xxxx_defconfig
make -j$(nproc)# 安装到系统路径（可选）
sudo make install

验证NEMU安装：

# 检查NEMU版本
riscv64-nemu-interpreter --version

1.2.3 安装RISC-V编译器

1.2.3.1 官方工具链安装

# 安装RISC-V GNU工具链
sudo apt update
sudo apt install gcc-riscv64-linux-gnu g++-riscv64-linux-gnu# 安装RISC-V GDB调试器
sudo apt install gdb-multiarch# 安装其他开发工具
sudo apt install make cmake git

1.2.3.2 验证编译器安装

# 检查RISC-V GCC版本
riscv64-linux-gnu-gcc --version# 检查RISC-V GDB版本
riscv64-linux-gnu-gdb --version# 检查工具链路径
which riscv64-linux-gnu-gcc

1.2.3.3 编译测试程序

创建C语言环境初始化汇编文件：start.s

.section .text.boot.globl _start
_start:/* Disable M-mode interrupts */csrw mie, zero/* Set up stack, stack size is 4KB */la sp, stacks_startli t0, 4096add sp, sp, t0csrw mscratch, sptail main.section .data
.align  12
.global stacks_start
stacks_start:.skip 4096

创建测试文件 hello.c：

#define UART        0x10000000
#define UART_SIZE   4096/* THR:transmitter holding register */
#define UART_DAT    (UART+0x00) /* Data register */
#define UART_IER    (UART+0x01) /* Interrupt enable register */
#define UART_IIR    (UART+0x02) /* Interrupt identification register (read only) */
#define UART_FCR    (UART+0x02) /* FIFO control register (write only) */
#define UART_LCR    (UART+0x03) /* Line control register */
#define UART_MCR    (UART+0x04) /* Modem control register */
#define UART_LSR    (UART+0x05) /* Line status register */
#define UART_MSR    (UART+0x06) /* Modem status register */#define UART_DLL    (UART+0x00)  /* Divisor latch register low 8 bits */
#define UART_DLM    (UART+0x01)  /* Divisor latch register high 8 bits */#define UART_LSR_ERROR  0x80  /* Error */
#define UART_LSR_EMPTY  0x40  /* Transmit FIFO and shift register empty */
#define UART_LSR_TFE    0x20  /* Transmit FIFO empty */
#define UART_LSR_BI	    0x10  /* Break interrupt */
#define UART_LSR_FE	    0x08  /* Framing error (no stop bit received) */
#define UART_LSR_PE	    0x04  /* Parity error */
#define UART_LSR_OE	    0x02  /* Overrun error */
#define UART_LSR_DR	    0x01  /* Data ready in FIFO */#define __arch_getl(a)			(*(volatile unsigned int *)(a))
#define __arch_putl(v,a)		(*(volatile unsigned int *)(a) = (v))
#define __arch_getb(a)			(*(volatile unsigned char *)(a))
#define __arch_putb(v,a)		(*(volatile unsigned char *)(a) = (v))
#define __arch_getq(a)			(*(volatile unsigned long *)(a))
#define __arch_putq(v,a)		(*(volatile unsigned long *)(a) = (v))
#define dmb()		            __asm__ __volatile__ ("" : : : "memory")#define readl(c)	({ unsigned int  __v = __arch_getl((unsigned long)c); dmb(); __v; })
#define writel(v,c)	({ unsigned int  __v = v; dmb(); __arch_putl(__v, (unsigned long)c);})
#define readb(c)	({ unsigned char  __v = __arch_getb(c); dmb(); __v; })
#define writeb(v,c)	({ unsigned char  __v = v; dmb(); __arch_putb(__v,c);})
#define readq(c)	({ unsigned long  __v = __arch_getq(c); dmb(); __v; })
#define writeq(v,c)	({ unsigned long  __v = v; dmb(); __arch_putq(__v,c);})#define UART_DEFAULT_CLOCK 1843200 
#define UART_DEFAULT_BAUD  115200// UART send character function
void uart_send(char c)
{while((readb(UART_LSR) & UART_LSR_EMPTY) == 0);writeb(c, UART_DAT);
}// UART send string function
void uart_send_string(char *str)
{int i;for (i = 0; str[i] != '\0'; i++)uart_send((char) str[i]);
}int main(void)
{unsigned int divisor = UART_DEFAULT_CLOCK / (16 * UART_DEFAULT_BAUD);/* disable interrupt */writeb(0, UART_IER);/* Enable DLAB (set baud rate divisor) */writeb(0x80, UART_LCR);writeb((unsigned char)divisor, UART_DLL);writeb((unsigned char)(divisor >> 8), UART_DLM);/* 8 bits, no parity, one stop bit */writeb(0x3, UART_LCR);/* Enable FIFO, clear FIFO, set 14-byte threshold */writeb(0xc7, UART_FCR);/* Enable receive buffer full interrupt */writeb(0x1, UART_IER);// Output hello worlduart_send_string("hello world\n");// Infinite loop to keep program runningwhile(1) {// Other functionality can be added here}
}

创建链接脚本

ENTRY(_start)SECTIONS
{/* 设置sbi的加载入口地址为0x80000000 */. = 0x80000000,.text.boot : { *(.text.boot) }.text : { *(.text) }.rodata : { *(.rodata) }.data : { *(.data) }. = ALIGN(0x8);bss_begin = .;.bss : { *(.bss*) } bss_end = .;
}

编译测试：

# 编译为RISC-V可执行文件
riscv64-linux-gnu-gcc -save-temps=obj -g -O0 -Wall -nostdlib -mcmodel=medany -mabi=lp64 -march=rv64imafd -fno-PIE -fno-omit-frame-pointer -Wno-builtin-declaration-mismatch -c hello.c -o hello.o
riscv64-linux-gnu-as -g -march=rv64imafd -mabi=lp64 -o start.o start.s
riscv64-linux-gnu-ld -T linker.ld -o hello.elf hello.o start.o# 查看文件信息
file hello.elf# 使用QEMU运行
qemu-system-riscv64 -nographic -machine virt -m 128M  -bios hello.elf 

1.2.4 验证安装

验证QEMU：

qemu-system-riscv64 --version

验证NEMU：

riscv64-nemu-interpreter --version

验证编译器：

riscv64-linux-gnu-gcc --version
riscv64-linux-gnu-gdb --version

1.3 调试工具

1.3.1 GDB调试器

1.3.1.1 远程调试

QEMU支持GDB远程调试：

# 启动QEMU并开启GDB调试端口
qemu-system-riscv64 -machine virt -cpu rv64 -m 128M -nographic -bios hello.elf -s -S# 在另一个终端连接GDB
riscv64-linux-gnu-gdb
(gdb) target remote :1234

1.3.2 VS Code调试配置

VS Code提供了强大的调试功能，可以方便地调试RISC-V程序。通过配置launch.json文件，可以实现图形化的调试体验。

1.3.2.1 安装必要扩展

在VS Code中安装以下扩展：

1. C/C++ (Microsoft) - 提供C/C++语言支持
2. C/C++ Extension Pack - 包含调试、智能感知等功能
3. RISC-V (可选) - RISC-V汇编语言支持

安装方法：

• 打开VS Code
• 按 Ctrl+Shift+X 打开扩展面板
• 搜索并安装上述扩展

1.3.2.2 配置launch.json

在项目根目录创建 .vscode/launch.json 文件：

{"version": "0.2.0","configurations": [{"name": "调试RV64裸机程序(QEMU)","type": "cppdbg","request": "launch","program": "${workspaceFolder}/hello.elf","cwd": "${workspaceFolder}","MIMode": "gdb","miDebuggerPath": "gdb-multiarch","miDebuggerArgs": "--interpreter=mi","stopAtEntry": true,"externalConsole": false,"setupCommands": [{"description": "设置架构为RISC-V 64位","text": "set architecture riscv:rv64","ignoreFailures": true},{"description": "加载符号文件","text": "file ${workspaceFolder}/hello.elf","ignoreFailures": true},{"description": "连接到QEMU GDB服务器","text": "target remote localhost:1234","ignoreFailures": false},{"description": "在_start函数设置断点","text": "break _start","ignoreFailures": true},{"description": "在汇编文件设置断点","text": "break sbi_boot.S:_start","ignoreFailures": true},{"description": "为gdb启用整齐打印","text": "set print pretty on","ignoreFailures": true},{"description": "设置反汇编格式","text": "set disassembly-flavor intel","ignoreFailures": true},{"description": "启用汇编单步调试","text": "set step-mode on","ignoreFailures": true},{"description": "显示汇编代码","text": "set disassemble-next-line on","ignoreFailures": true},{"description": "设置寄存器显示格式","text": "set print registers on","ignoreFailures": true},{"description": "设置源码目录","text": "directory ${workspaceFolder}","ignoreFailures": true},{"description": "启用源码和汇编混合显示","text": "set disassemble-next-line auto","ignoreFailures": true}]}]
}

配置说明：

• program: 指定要调试的ELF文件路径
• miDebuggerPath: 使用gdb-multiarch调试器
• setupCommands: 自动执行的GDB命令
  • 设置RISC-V 64位架构
  • 加载符号文件
  • 连接到QEMU的GDB服务器（端口1234）
  • 在程序入口点设置断点

1.3.2.3 调试步骤

步骤1：启动QEMU调试服务器

在终端中运行以下命令启动QEMU并开启GDB调试端口：

qemu-system-riscv64 -machine virt -cpu rv64 -m 128M -nographic -bios hello.elf -s -S

参数说明：

• -s: 开启GDB调试服务器（默认端口1234）
• -S: 启动时暂停，等待GDB连接

步骤2：在VS Code中开始调试

1. 在VS Code中打开项目文件夹
2. 按 F5 或点击调试面板的"开始调试"按钮
3. 选择"调试RV64裸机程序(QEMU)"配置
4. VS Code将自动连接到QEMU的GDB服务器

步骤3：调试功能使用

• 设置断点: 在代码行号左侧点击设置断点
• 单步执行: 使用 F10 (Step Over) 或 F11 (Step Into)
• 继续执行: 使用 F5 (Continue)
• 查看变量: 在"变量"面板查看当前作用域的变量
• 查看寄存器: 在"调试控制台"输入 info registers 查看RISC-V寄存器
• 查看内存: 在"调试控制台"输入 x/10x $sp 查看栈内存

调试技巧：

1. 程序入口调试: 程序从 _start 开始执行，这是设置第一个断点的好地方
2. 汇编调试: 可以查看RISC-V汇编指令的执行过程
3. 内存布局: 使用 info proc mappings 查看内存映射
4. 寄存器观察: 重点观察 pc（程序计数器）、sp（栈指针）等关键寄存器

VS Code调试界面示例

下图展示了在VS Code中调试RISC-V程序的界面：

界面说明：

• 左侧面板: 显示变量、监视、调用栈等调试信息
• 中央代码区: 显示源代码，支持断点设置和单步执行
• 底部调试控制台: 可以输入GDB命令进行高级调试
• 调试工具栏: 提供继续、单步、重启等调试控制按钮