6.1810 使用的工具与RISC-V入门

6.1810 使用的工具

本课程需要 RISC-V 版本的 QEMU 7.2+、GDB 8.3+、GCC 和 Binutils。

如果您在设置过程中遇到问题，请到 office hours 或在 Piazza 上发帖。我们很乐意提供帮助！

Debian 或 Ubuntu

bash

sudo apt-get install git build-essential gdb-multiarch qemu-system-misc gcc-riscv64-linux-gnu binutils-riscv64-linux-gnu

您可能需要运行 Ubuntu 24 (或更高版本) 才能通过 apt-get 安装足够新的 qemu。

Arch Linux

bash

sudo pacman -S riscv64-linux-gnu-binutils riscv64-linux-gnu-gcc riscv64-linux-gnu-gdb qemu-emulators-full

在 Windows 上安装

我们鼓励运行 Windows 的学生在本地机器上安装 Linux 或使用 WSL 2 (Windows Subsystem for Linux 2)。

我们也鼓励学生安装 Windows Terminal 工具来代替 Powershell/Command Prompt。

要使用 WSL 2，首先请确保您已安装 Windows Subsystem for Linux。然后从 Microsoft Store 添加 Ubuntu 24.04。之后您应该能够启动 Ubuntu 并与机器交互。

重要提示：请确保您运行的是 WSL 版本 2。WSL 1 不适用于 6.1810 实验。要检查，请在 Windows 终端中运行 wsl -l -v 以确认已安装 WSL 2 和正确的 Ubuntu 版本。

要安装本课程所需的所有软件，请运行：

bash

$ sudo apt-get update && sudo apt-get upgrade
$ sudo apt-get install git build-essential gdb-multiarch qemu-system-misc gcc-riscv64-linux-gnu binutils-riscv64-linux-gnu

在 Windows 中，您可以在 \\wsl$\\ 目录下访问所有 WSL 文件。例如，Ubuntu 20.04 安装的主目录应该在 \\wsl$\\Ubuntu-20.04\\home\\<username>\\。

在 macOS 上安装

首先，安装开发者工具：

bash

$ xcode-select --install

接下来，安装 Homebrew，一个 macOS 的包管理器：

bash

$ /bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"

接下来，安装 RISC-V 编译器工具链：

bash

$ brew tap riscv/riscv
$ brew install riscv-tools

brew 公式可能不会链接到 /usr/local。您需要更新 shell 的 rc 文件 (例如 ~/.bashrc) 以将适当的目录添加到 $PATH。

bash

PATH=$PATH:/usr/local/opt/riscv-gnu-toolchain/bin

最后，安装 QEMU：

bash

brew install qemu

RISC-V 调用约定、栈帧和 GDB

C代码被编译成机器指令。理解这层转换对于编写无法用C表达的代码（例如，在系统调用实验中）至关重要。

RISC-V 抽象机器

基础: 程序计数器 (PC), 32个通用寄存器 (x0-x31)。
寄存器约定:
- ra (x1): 返回地址 (由调用者保存)。
- sp (x2): 栈指针 (由被调用者保存)。
- a0-a7 (x10-x17): 函数参数和返回值。
- s0-s11 (x8-x9, x18-x27): 被调用者保存的寄存器。如果一个函数要使用它们，必须在函数开头将它们保存在栈上，并在返回前恢复。
- t0-t6 (x5-x7, x28-x31): 调用者保存的临时寄存器。函数可以自由使用它们，无需保存。

函数调用

call 指令: call 实际上是一个伪指令，它做两件事：
1. 将返回地址（即 call 指令的下一条指令的地址）存入 ra 寄存器。
2. 无条件跳转到目标函数的标签处。
ret 指令: ret 也是一个伪指令，它跳转到 ra 寄存器中保存的地址。

问题: 如果函数 f 调用了函数 g，g 又调用了 h，会发生什么？

g 调用 h 时，会覆盖 ra 寄存器，导致 g 无法正确返回到 f。
解决方案: 在函数（非叶子函数）的开头（称为函数序言, prologue），必须在栈上为自己创建一个栈帧 (stack frame)，并将 ra 和其他需要保留的 s 寄存器保存在栈帧中。在函数返回前（称为函数尾声, epilogue），再从栈帧中恢复这些寄存器。

栈帧 (Stack Frame)

栈是向下增长的。一个典型的栈帧结构如下：

(高地址)
+-----------------+
|  返回地址 (ra)  |
+-----------------+
| 上一个栈帧的 fp |
+-----------------+
|  保存的 s 寄存器 |
+-----------------+
|   局部变量      |
+-----------------+
(低地址) <- sp

sp (栈指针) 指向当前栈帧的顶部。
fp (帧指针, s0) 指向当前栈帧的底部。通过 fp 可以方便地访问局部变量和参数。

GDB 调试技巧

layout split: 同时显示代码、汇编和寄存器，非常方便。
stepi / si: 执行单条汇编指令。
nexti / ni: 执行单条汇编指令，但会跳过函数调用。
info registers: 显示所有寄存器的值。
p $reg: 打印特定寄存器 reg 的值。
x/Nfu addr: 检查内存。例如 x/10i $pc 表示显示从PC开始的10条指令；x/4g $sp 表示以8字节（giant word）为单位显示从sp开始的4个值。
backtrace / bt: 显示函数调用栈。
info frame: 显示当前栈帧的详细信息。
frame N: 切换到编号为N的栈帧。

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