没有 main 之前：启动汇编、C 运行环境与串口 Hello World

本篇对应代码：xueliangliang/riscv-hello 的 lesson-02 标签，固定提交 b9e44571cdf072dbbd35ecb56c3df048bc243b13。请检出标签复现，不要用后来变化的 main 代替。

本篇要解决什么

第一课已经证明 QEMU 能进入我们链接在 0x80000000 的 _start，并且汇编可以直接写 UART。现在再回答一个问题：C 函数开始运行之前，谁准备它依赖的环境？

本篇只增加一层很薄的 freestanding C 运行环境：

1. 启动汇编设置 gp 和 sp；
2. 按 linker script 提供的范围清零 BSS；
3. 调用 C 的 main；
4. C 代码检查栈、BSS 和已初始化数据，再经轮询 UART 输出结果。

预期 guest 串口输出：

Lesson 02: C main entered with a valid stack.
PASS: BSS was cleared and initialized data was preserved.

宿主测试脚本还会输出：

PASS: C runtime, stack, BSS, initialized data, and UART verified.

这仍不是操作系统，也不是完整 libc。没有特权级切换、trap、中断、调度、文件系统或 printf；UART 驱动仍由 C 代码直接访问 QEMU 的 MMIO 地址。

实验环境

本篇沿用第一课实测的 Ubuntu 主机基线：

安装与第一课相同的基础软件包：

sudo apt update
sudo apt install \
  make bash coreutils grep \
  gcc-riscv64-linux-gnu \
  binutils-riscv64-linux-gnu \
  qemu-system-misc

# 可选：使用 GDB 单步
sudo apt install gdb-multiarch

发行版包版本会随时间变化；表格记录的是本篇实际测试基线，不是对所有 Ubuntu 版本的承诺。第一课的环境和 ELF 背景见上一篇。

取得这篇对应的代码

git clone https://github.com/xueliangliang/riscv-hello.git
cd riscv-hello
git checkout lesson-02
git rev-parse HEAD

最后一条命令应得到：

b9e44571cdf072dbbd35ecb56c3df048bc243b13

这个仓库按课程累积实现。lesson-02 固定的是包含第一课和第二课的可运行状态；后续课程继续提交到 main，不会移动这个标签。

构建并检查 ELF

make clean all
make inspect

make clean all 会构建第一课和第二课。检查 build/lesson02.elf 时，重点看入口和三个 PT_LOAD 段：

Entry point address: 0x80000000
LOAD  ... 0x0000000080000000 ... R E
LOAD  ... 0x0000000080001000 ... R
LOAD  ... 0x0000000080002000 ... RW

本次 GCC 15.2.0 构建中，最后一个段的 FileSiz 是 4 字节，而 MemSiz 是 0x4020 字节。前者包含已初始化数据；更大的内存范围还覆盖 BSS 和 16 KiB 栈。.text、只读数据和可写数据分开，ELF 没有把代码段标成 RWX。ELF 标志本身只是装载信息；这时还没有 PMP 或页表来强制运行时的 W^X 权限。

关键实现分布在：

• lessons/02/start.S：机器入口、gp/sp 初始化、BSS 清零和 main 调用；
• lessons/02/linker.ld：入口、段地址、BSS 范围和栈顶符号；
• lessons/02/uart.c：最小轮询 UART 驱动；
• lessons/02/hello.c：检查运行环境并打印验收行。

从 _start 到 main

QEMU virt 的 -bios none 并不表示 CPU 直接从我们写的 _start 开始；QEMU 仍通过内建的 reset stub 跳到 DRAM 中的 ELF 入口。第一课已用 GDB 验证入口是 0x80000000。第二课沿用这个入口，但入口函数现在要先满足 C ABI 的运行条件。

启动汇编的顺序是：

_start
  ├─ gp = __global_pointer$
  ├─ sp = __stack_top
  ├─ [__bss_start, __bss_end) 写零
  └─ call main

sp 从 __stack_top 向低地址增长。BSS 里放的是未显式初始化的全局/静态对象；它们在 C 语义上应当从零开始。start.S 不依赖 ELF 装载器替我们完成这一约定，而是显式遍历 linker script 给出的范围。

gp 指向 linker script 中的 __global_pointer$。本课为简化代码生成使用 -msmall-data-limit=0，所以当前 C 代码不会依赖 small-data 区的 GP-relative 访问；仍在入口设置 gp，是为了把启动环境的职责讲清楚。sp 和 gp 是 ABI 约定的一部分，不是某个 C 编译器的临时偏好。

UART 驱动直接轮询 QEMU virt 的 16550-compatible UART0：基址 0x10000000，LSR 在偏移 5，0x20 表示发送保持寄存器可写，THR 在偏移 0。寄存器指针声明为 volatile，使每次状态读取和字符写入都保留为实际 MMIO 访问。换成真实板卡时，地址、UART 型号、时钟和 pinmux 都必须重新核实。

运行测试

make test-lesson02

测试除了检查 guest 输出，也会确认 ELF 是 RISC-V、入口与 PT_LOAD 地址正确，并等待 QEMU 经 test device 正常退出。运行在交互终端时，脚本用前台 timeout 并把 QEMU 的 stdin 接到 /dev/null，避免无输入测试被终端作业控制挂起。

第二课的 main 检查四件事：

• bss_probe 为零；
• 带初始值的全局变量仍等于 0x4c4c3032；
• C 函数的局部变量值正确；
• 读取到的 sp 位于 linker script 声明的栈范围内。

需要准确说明一个边界：QEMU 的 ELF 装载器也可能把 PT_LOAD 中 MemSiz - FileSiz 的部分初始化为零。因此，bss_probe == 0 单独不能证明零值一定来自 guest 的清零循环；循环本身在 start.S 中，GDB 可以直接检查它。这个测试验证整体启动后的可观察约定，不声称排除了模拟器装载器的参与。

用 GDB 看见运行环境建立的时刻

另开终端暂停 QEMU：

qemu-system-riscv64 \
  -machine virt -smp 1 -m 128M \
  -display none -serial null -monitor none \
  -bios none -kernel build/lesson02.elf \
  -S -gdb tcp::1234 -no-reboot

再连接：

gdb-multiarch build/lesson02.elf

在 GDB 中：

target remote :1234
break _start
break main
continue
info registers pc sp gp
continue
info registers pc sp gp

本次实际断点观察到：

_start: pc = 0x80000000, sp = 0, gp = 0
main:   pc = 0x80000116, sp = 0x80006000, gp = 0x80002800

第一个断点停在初始化之前，第二个断点停在 C 函数入口；此时 sp 和 gp 已由启动代码设置。结束后在 GDB 中 detach，再停止暂停的 QEMU。

验收与限制

通过条件：

• readelf 显示 RISC-V ELF、入口 0x80000000 和分离的 RX/R/RW 段；
• C main 检查栈、BSS、已初始化数据；
• make test-lesson02 捕获 guest UART 行并确认 QEMU 正常退出；
• GDB 能分别停在 _start 和 main，并观察到 sp/gp 的变化。

尚未实现：标准 C 库、格式化输出、异常/中断、用户态、驱动框架和 OS。这里的 UART 地址属于 QEMU virt 平台，不是 RISC-V ISA 对所有板卡的统一规定。

代码版本

• 仓库：xueliangliang/riscv-hello
• 标签：lesson-02
• 提交：b9e44571cdf072dbbd35ecb56c3df048bc243b13

参考资料

• RISC-V ELF psABI：整数寄存器与调用约定
• QEMU v10.2.1 RISC-V virt 机器文档
• QEMU v10.2.1 virt 内存映射