C语言编译成RISC-V汇编代码后的执行步骤

qq_43204385 2022-05-16 21:52:11

本文在学习了x86和ARM6两种指令集架构之后，以ISA的寄存器、寻址方式、常用指令、堆栈操作等为基础，从程序员的角度介绍RISC-V指令集架构的基础工作流程。对一个指令集架构学习的流程一般分为两个部分：寄存器布局和指令集。

1. 寄存器布局

与x86和ARM64不同的是，对于RV32I、RV64I、RV128I，RISC-V都定义了32个通用寄存器，名称以及用法如下图所示。

RISC-V软件将19个寄存器分为两组：x5-x7以及x28-x31是临时寄存器，在过程调用中不被被调用者保存；x8-x9以及x18-x27是保存寄存器，在过程调用中必须被保存。而x10-x17八个参数寄存器，用于传递参数或返回值，x1一个返回地址寄存器，用于返回到起始点。

2. 指令特点

与x86和ARM64不同的是，RISC-V的指令是定长的，都为32位，且只有6种类型，这样做简化了指令解码。具体六种指令格式如下，其中，

R类型用于寄存器-寄存器操作；
I类型用于短立即数和访存load操作；
S类型用于访存store操作；
B类型用于条件跳转操作；
U类型用于长立即数；
J类型用于无条件跳转。

其中R、I、S和U类型是四种基础指令，B和J类型都只包含一条指令，具体指令格式如下：

3. 常用指令

接下来介绍RISC-V中一些常用指令，后面将给出一个简单的C语言程序与其对应的RISC-V汇编语言伪代码。

3.1 存取指令

内存和寄存器之间传输数据的指令，称为数据传输指令。

取双字

取内存中的A[8]至寄存器x9，字节寻址8×8偏移地址为64

ld    x9, 64(x22)    //x22存放内存中数组的基址，偏移64，取出的数据A[8]存放至寄存器x9

存双字

将寄存器x9中数据存至内存的A[12]，字节寻址8×12偏移地址为96

sd    x9, 96(x22)     //x22存放内存中数组的基址，偏移96，寄存器x9的数据存至A[12]

3.2 运算指令

立即数加法

addi    x22, x22,4                //x22 = x22 + 4

寄存器加法

add     x10,x5,x6                //x10=x5+x6,结果保存在x10中

3.3 堆栈指令

在使用需要保存的寄存器时进行参数传递等操作时（例如x1用来保存函数的返回地址），需要先把寄存器的当前值换出到栈中保存，再用寄存器进行函数调用，调用结束后，换回寄存器的旧值。

RISC-V中，寄存器x2用来保存栈指针，别名也叫做sp。栈的增长方向是由高地址向低地址方向增长。

//例如现在需要将x1和x10两个寄存器的值保存在栈中
addi sp,sp,-16    //sp增长16位，用来保存x1和x10的旧值
sd x1,8(sp)        //保存x1的值
sd x10,0(sp)    //保存x10的值

ld x10,0(sp)    //恢复x10的值
ld x1,8(sp)        //恢复x1的值
addi sp,sp,16    //恢复栈针

3.4 跳转指令

无条件跳转

jalr x0, 0(x1)     //返回x1存储的地址

jal x0, func    //跳转到函数func，返回地址保存在x1中

3.5 C语言与对应的RISC-V汇编语言

C语言程序

int g(int x)
{
    return x+3;
}
int f(int x)
{
    return g(x);
}
int main(void)
{
    return f(8)+1;
}

RISC-V汇编语言程序

g:
addi x10,x10,3  //x10=x10+3,传入的参数加3
jalr x0,0(x1)   //函数返回

f:
jal x1,g        //调用函数g
jalr x0,0(x1)    //返回

main:
addi sp,sp,-16    //sp增长16位，用来保存x1和x10的旧值
sd x1,8(sp)        //保存x1的值
sd x10,0(sp)    //保存x10的值
addi x10,x0,8    //x10=0+8,将立即数8放入寄存器x10中
jal x1,f        //调用函数f，返回地址存在x1    

addi x10,x10,1  //x10=x10+1,即f(8)+1
ld x10,0(sp)    //恢复x10的值
ld x1,8(sp)        //恢复x1的值
addi sp,sp,16    //恢复栈针