4、编写第一个RISC-V裸机程序：启动代码与链接脚本、简单的C程序（点灯）、编译生成.elf与.hex文件

好，咱们开始动手了。

前面聊了那么多理论，什么指令集、流水线、中断……说实话，不写一行代码，这些东西都是空中楼阁。我个人习惯是，先让板子上的灯亮起来，心里才踏实。

这一章，我们就来走通RISC-V裸机开发最基础的一条路：启动代码 → 链接脚本 → C程序 → 编译输出。你跟着我走一遍，后面再调试复杂程序，心里就有底了。

4.1 裸机程序到底在干什么？

先想一个问题：我们平时在Linux或者Windows上写程序，双击就能跑。为什么到了嵌入式里，就得搞什么启动代码、链接脚本？

说白了，操作系统帮我们做了三件事：

• 初始化硬件（比如设置栈指针、清零BSS段）
• 加载程序（把代码从硬盘搬到内存）
• 跳转到main()

裸机环境下，没人帮你干这些。你得自己写。这就是启动代码（startup code）存在的意义。

我在项目中遇到过好几次，有人把启动代码写错了，结果程序死活跑不起来。查了半天，发现是栈指针没初始化。嗯，这种坑踩过一次就记住了。

4.2 启动代码：从复位向量到C环境

启动代码通常用汇编写。为什么？因为C语言依赖栈，而栈指针在C运行前必须设置好。这是个鸡生蛋蛋生鸡的问题，只能用汇编解决。

一个最简的RISC-V启动代码，核心就做三件事：

1. 设置栈指针（sp = _stack_top）
2. 清零BSS段（把未初始化的全局变量清0）
3. 跳转到main()

下面是我常用的模板，你直接拿去用：

# startup.S
.section .text.startup
.globl _start

_start:
    # 设置栈指针
    la sp, _stack_top

    # 清零BSS段
    la t0, _bss_start
    la t1, _bss_end
    bge t0, t1, bss_done
bss_loop:
    sw zero, 0(t0)
    addi t0, t0, 4
    blt t0, t1, bss_loop
bss_done:

    # 跳转到main
    call main

    # 如果main返回，就死循环
    j .

4.3 链接脚本：告诉编译器怎么摆

链接脚本，说白了就是一张“摆放图”。你告诉链接器：代码放哪里，数据放哪里，栈放哪里。

为什么需要它？因为RISC-V的地址空间是固定的。比如你的Flash从0x80000000开始，RAM从0x90000000开始。链接脚本就是把这些信息告诉编译器。

下面是一个最简的链接脚本，配合上面的启动代码使用：

/* link.ld */
OUTPUT_ARCH(riscv)
ENTRY(_start)

MEMORY
{
    flash (rx)  : ORIGIN = 0x80000000, LENGTH = 1M
    ram   (rwx) : ORIGIN = 0x90000000, LENGTH = 128K
}

SECTIONS
{
    .text : {
        *(.text.startup)
        *(.text)
    } > flash

    .rodata : {
        *(.rodata)
    } > flash

    .data : {
        *(.data)
    } > ram AT > flash

    .bss : {
        _bss_start = .;
        *(.bss)
        _bss_end = .;
    } > ram

    _stack_top = ORIGIN(ram) + LENGTH(ram);
}

注意看最后一行：_stack_top 被定义在RAM的末尾。栈是向下生长的，所以栈顶放在最高地址。这个细节我曾经搞反过，结果程序一调用函数就崩。你想想看，栈指针指向了RAM的起始地址，一压栈就把代码区覆盖了……

4.4 简单的C程序：点灯

好了，启动代码和链接脚本都有了。现在写个最简单的C程序，让LED亮起来。

假设你的FPGA开发板上，LED连接在GPIO的bit 0上。GPIO基地址是0x10000000。控制寄存器偏移0x00，数据寄存器偏移0x04。

// main.c
#define GPIO_BASE   0x10000000
#define GPIO_OUT    0x04

void main(void)
{
    volatile unsigned int *gpio = (unsigned int *)GPIO_BASE;

    // 设置GPIO为输出
    gpio[0] = 0x01;

    while (1) {
        gpio[GPIO_OUT >> 2] = 0x01;  // 点亮LED
        // 这里可以加延时，但为了简单，先不搞
    }
}

注意我用了 volatile 关键字。为什么？因为编译器可能会优化掉对GPIO的写操作——它觉得你写了一个值又没读，纯属浪费。但对外设来说，写操作就是命令。不加volatile，灯可能不亮。

4.5 编译与生成：.elf和.hex

代码写完了，怎么变成FPGA能用的文件？

我用的是RISC-V GNU工具链。编译命令如下：

# 编译汇编启动代码
riscv32-unknown-elf-gcc -c startup.S -o startup.o

# 编译C程序
riscv32-unknown-elf-gcc -c main.c -o main.o -march=rv32im -mabi=ilp32

# 链接
riscv32-unknown-elf-gcc startup.o main.o -T link.ld -o led.elf -nostartfiles -nostdlib

# 生成hex文件（用于Vivado加载）
riscv32-unknown-elf-objcopy -O ihex led.elf led.hex

# 生成bin文件（用于直接烧写）
riscv32-unknown-elf-objcopy -O binary led.elf led.bin

这里有几个参数要解释一下：

• -nostartfiles：告诉编译器不要链接默认的启动文件，我们用自己写的。
• -nostdlib：不用标准库。裸机下没有操作系统，标准库很多函数用不了。
• -march=rv32im：指定指令集。我用的核支持乘除法扩展，所以加了M。

4.6 知识体系图

下面这张图，把整个流程串起来了。你一看就明白：

从这张图可以看得很清楚：三个源文件经过编译链接，生成一个.elf文件。然后通过objcopy转成.hex，供Vivado初始化BRAM使用。或者直接用.elf加载到调试器里单步调试。

4.7 验证：灯亮了没？

把生成的led.hex文件加载到Vivado的Block Memory Generator里，综合、实现、生成比特流，下载到FPGA。如果一切正常，LED应该常亮。

如果灯没亮，别慌。按这个顺序排查：

1. 检查复位向量：反汇编看0地址是不是指向_start。
2. 检查栈指针：在启动代码里加个断点，看sp的值是不是等于_stack_top。
3. 检查GPIO地址：确认你的FPGA设计里GPIO基地址是不是0x10000000。
4. 检查volatile：如果优化等级开高了，编译器可能把写操作优化掉。

好了，第一个RISC-V裸机程序就这样跑起来了。虽然只是点个灯，但整个工具链、启动流程、链接脚本的配合关系，你已经亲手验证了一遍。后面再写复杂程序，无非是在这个框架里加功能而已。

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