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从零开始在 SiFive 平台运行 RISC-V 裸机程序：不只是“点灯”，而是真正理解底层启动机制

你有没有试过，在一块全新的开发板上连一个 LED 都点不亮？不是代码写错了，也不是接线问题——而是程序根本没跑起来。

这种情况在裸机（Bare-metal）开发中太常见了。尤其是当你面对的是像SiFive HiFive1这类基于 RISC-V 架构的开发平台时，没有操作系统帮你兜底，一切都要自己动手。这时候你会发现，哪怕只是让main()函数执行一次打印，背后都藏着一整套精密协作的底层逻辑。

本文不讲花哨的应用，也不依赖任何 SDK 框架。我们要做的，是从最原始的复位向量开始，一步步构建出能在真实硬件上运行的最小可执行程序。你会看到：
- 为什么.text段必须放在特定地址？
-_start和main到底谁先执行？
-.data和.bss是怎么被正确初始化的？
- 如果跳过这些步骤会发生什么？

这不仅是一份移植指南，更是一次对嵌入式系统启动本质的深度拆解。

RISC-V 的“极简哲学”：为什么它适合做裸机实验？

RISC-V 不是另一个 ARM。它的设计哲学是“够用就好”，指令集本身只定义最基本的行为，其余功能通过模块化扩展实现。这种简洁性让它成为学习裸机编程的理想目标架构。

寄存器与调用约定：你需要记住的几个关键角色

RISC-V 有 32 个通用寄存器（x0–x31），但其中几个有着特殊用途：

特别注意：x0 是硬连线到 0 的，这意味着你可以用add x5, x1, x0实现mv x5, x1的效果——不需要额外的 move 指令。

特权模式：机器模式才是裸机程序的主场

RISC-V 定义了三种特权级别：
-U-mode（用户模式）：权限最低，通常运行普通应用。
-S-mode（监督模式）：用于操作系统内核。
-M-mode（机器模式）：最高权限，处理中断、异常和系统控制。

我们的裸机程序将全程运行在M-mode，因为它是 CPU 复位后默认进入的模式，并且可以直接访问所有外设和控制寄存器（如mstatus,mtvec等）。

SiFive 开发板的真实启动流程：从上电到第一条指令

以HiFive1 Rev B（搭载 E31 Core）为例，当电源稳定后，CPU 会从固定地址0x1000_0000取第一条指令。这个地址就是所谓的“复位向量”。

📌 关键事实：这个地址指向的是片上 SRAM（On-Chip RAM），而不是 Flash。也就是说，你的程序必须已经被烧录或加载到这块内存中才能运行。

那如果我直接把代码烧进 Flash 呢？不行——除非有 ROM 引导程序将内容复制到 SRAM，否则 CPU 根本不会去读 Flash。而 HiFive1 的 SPI Flash 是映射在0x2000_0000，不在复位向量范围内。

所以结论很明确：要让程序跑起来，.text段的第一条指令必须位于0x10000000。

链接脚本：决定程序生死的关键配置文件

很多人写裸机程序失败，不是因为代码错，而是链接脚本没配对。.ld文件决定了每个段放在哪、怎么放、是否需要重定位。

下面是一个适用于 SiFive 平台的最小可行链接脚本：

/* linker.ld */ ENTRY(_start) MEMORY { RAM (rwx) : ORIGIN = 0x10000000, LENGTH = 16K } SECTIONS { . = ORIGIN(RAM); /* 保证 _start 是第一个符号 */ .text : { KEEP(*(.text.entry)) *(.text) *(.rodata) } > RAM /* 数据段：加载地址 ≠ 运行地址 */ .data : { _sidata = LOADADDR(.data); /* 加载地址（LMA） */ _sdata = ADDR(.data); /* 运行地址（VMA） */ *(.data) _edata = .; } AT> RAM /* BSS 段：未初始化数据，需清零 */ .bss ALIGN(4) : { _sbss = .; *(.bss) *(COMMON) _ebss = .; } > RAM /* 丢弃调试信息，减小体积 */ /DISCARD/ : { *(.comment) *(.eh_frame) *(.debug_info) *(.debug_line) } }

重点解析几个细节：

✅ENTRY(_start)

告诉链接器程序入口是_start符号，生成 ELF 时设置 PC 初始值。

✅KEEP(*(.text.entry))

防止编译器优化掉我们精心安排的启动代码。如果不加这句，GCC 可能会把.text.entry和其他.text合并排序，导致_start不再位于起始位置。

✅.data的AT>语法

表示该段的加载地址（Load Memory Address, LMA）使用前面分配的空间，但运行地址（Virtual Memory Address, VMA）仍是当前链接地址。这意味着我们需要在启动代码中手动将其从 Flash 拷贝到 RAM —— 即使现在整个镜像都在 SRAM 中，这个习惯也应保留，以防将来迁移到带外部存储的系统。

✅ BSS 清零必要性

.bss段在二进制文件中不占空间（全是 0），但在内存中要分配空间并初始化为 0。如果不做这一步，全局变量可能包含随机垃圾数据，引发不可预测行为。

启动代码详解：汇编层如何搭建通往 C 的桥梁

现在进入最关键的一步：startup.s。这是整个系统运行的第一段代码，必须用汇编编写，因为在栈和数据区准备好之前，C 语言无法工作。

.section .text.entry .global _start _start: # 设置栈指针：SRAM 大小 16KB → 起始于 0x10004000 li sp, 0x10004000 # 拷贝 .data 段 la t0, _sidata # 源地址（LMA） la t1, _sdata # 目标地址（VMA） la t2, _edata # 结束地址 bge t1, t2, skip_data_copy copy_data_loop: lw t3, 0(t0) # 从源读取一个字 sw t3, 0(t1) # 写入目标 addi t0, t0, 4 addi t1, t1, 4 blt t1, t2, copy_data_loop skip_data_copy: # 清零 .bss 段 la t1, _sbss la t2, _ebss mv t3, x0 # t3 = 0 bge t1, t2, skip_bss_clear clear_bss_loop: sw t3, 0(t1) addi t1, t1, 4 blt t1, t2, clear_bss_loop skip_bss_clear: # 调用 main() call main # 主函数返回后进入死循环 hang: wfi # 等待中断，降低功耗 j hang

为什么不能直接跳转到main？

因为main是一个 C 函数，它依赖以下前提条件：
- 栈指针（sp）已设置；
- 全局变量（包括.data和.bss）已完成初始化；
- 调用规范（ABI）要求的寄存器状态就绪。

如果我们省略上述任何一步，结果可能是：
- 访问全局变量时读到乱码；
- 函数调用时栈溢出导致崩溃；
-printf输出乱七八糟的内容甚至死机。

换句话说，启动代码的任务就是创造一个“C 语言可以安全运行”的环境。

编译、链接与烧录全流程实战

假设你有两个文件：main.c和startup.s。

示例 main.c

// main.c volatile int counter = 42; // 存在于 .data 段 int uninitialized_var; // 存在于 .bss 段 void main(void) { while (1) { counter++; if (counter > 100) { counter = 0; } } }

编译命令

# 使用交叉工具链编译 riscv32-unknown-elf-gcc \ -march=rv32imac \ -mabi=ilp32 \ -nostdlib \ -nostartfiles \ -T linker.ld \ -o firmware.elf \ main.c startup.s # 生成二进制镜像（可用于烧录） riscv32-unknown-elf-objcopy -O binary firmware.elf firmware.bin

参数说明：

• -march=rv32imac：目标架构为 RV32I + M/A/C 扩展（HiFive1 支持）；
• -mabi=ilp32：32 位整数、长整型和指针；
• -nostdlib和-nostartfiles：禁用标准库和默认启动文件，避免冲突；
• -T linker.ld：指定自定义链接脚本；
• objcopy将 ELF 转为纯二进制格式，便于烧写。

如何验证程序是否真的跑起来了？

最简单的办法是添加 UART 输出。修改main.c：

#define UART_REG_TXFIFO 0x10013000 void uart_putc(char c) { volatile uint32_t *txreg = (uint32_t*)UART_REG_TXFIFO; while ((*txreg & 0x80000000) != 0); // 等待发送 FIFO 空闲 *txreg = c; } void uart_puts(const char *s) { while (*s) { uart_putc(*s++); } } void main(void) { uart_puts("Hello from bare-metal RISC-V!\n"); while (1); }

⚠️ 注意：你需要确认 UART 地址和波特率配置是否匹配你的开发板（参考 FE310-G002 手册）。此外，串口工具需设置为 115200bps、8N1。

一旦看到串口输出，恭喜你！你已经成功跨越了裸机开发的第一道门槛。

常见坑点与避坑秘籍

❌ 问题 1：程序没有任何输出，JTAG 也无法连接

排查思路：
- 是否正确设置了_start入口？
- 链接脚本中的ORIGIN是否为0x10000000？
- 是否启用了-nostartfiles？否则会链接默认 crt0，造成入口混乱。

❌ 问题 2：能进入main，但全局变量值不对

原因：忘记拷贝.data或清零.bss。

解决方案：检查启动代码中是否有.data拷贝和.bss清零逻辑，并确保链接脚本正确定义了_sidata,_sdata,_edata,_sbss,_ebss。

❌ 问题 3：栈溢出导致随机重启或卡死

分析：默认栈大小未显式限制，递归调用或局部大数组容易越界。

建议做法：在链接脚本中定义栈顶和栈底：

_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM); /* 栈顶：0x10004000 */

并在启动代码中检查sp是否低于某个阈值。

更进一步：支持中断与异常处理

目前我们的程序是个无限循环，无法响应外部事件。要启用中断，需要配置两个关键寄存器：

# 在调用 main 前启用全局中断 csrs mstatus, MIE # 设置 M-mode Interrupt Enable csrw mie, 0x800 # 使能 Machine Timer Interrupt（示例）

同时，你需要设置中断向量表：

.text .align 2 .global mtvec_table mtvec_table: j machine_trap_handler # 所有异常跳转到同一处理函数 # 在链接脚本中将其定位到合适位置

然后更新mtvec寄存器指向该表：

la t0, mtvec_table csrw mtvec, t0

完整的异常处理涉及保存上下文、判断中断类型、恢复现场等，这里不再展开，但它正是 RTOS 或 Bootloader 的起点。

总结：掌握裸机开发，等于掌握了系统的“第一因”

通过这次从零构建的过程，你应该已经明白：

• 复位向量决定一切起点；
• 链接脚本是内存布局的地图；
• 启动代码是通向 C 世界的桥梁；
• 数据初始化不容忽视；
• 每一个细节都有其存在的理由。

这套方法不仅适用于 SiFive，也适用于几乎所有基于 RISC-V 的 SoC。未来如果你想开发自己的 Bootloader、移植 FreeRTOS、甚至尝试写一个微型 OS，今天打下的基础都会派上用场。

如果你正在学习嵌入式系统、准备面试、或是想深入理解计算机启动原理，不妨亲手试一遍。当你第一次在没有 SDK 的情况下点亮 LED 或打出 “Hello World”，那种掌控硬件的感觉，才是真正让人上瘾的部分。

💬 动手试试看吧！如果你在实现过程中遇到问题，欢迎留言讨论。