RSIC-V汇编语言基础

Zard-1996 2022-05-16 23:06:29

RISC-V（发音为“risk-five”）是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA）。

RISC-V 被设计成可以支持丰富的定制化和特殊化。基本整数 ISA 可被一个或者多个可选指令集扩展进行增强，但是基本整数指令集不能被重新定义。最基础的指令是RV32I，即32位的指令。这个是所有的RISC-V处理器都需要实现的指令。RISC-V体系结构可以在这个基础指令集上进行扩展：RV64I，这是64位的基础指令扩展；RV32M是乘法指令扩展；RV32F是单精度浮点扩展；RV32D是双精度浮点扩展等。RV32IMFD就代表了把对应的模块扩展到基础的RV32I中。本文只讨论RV32I。

一、RSIC-V CPU的寄存器

RV32I 基础指令集总共定义了 32 个 32 位的通用寄存器。它们分别被标记为x0 ～ x31。其中零号寄存器 x0 是只读寄存器，其值永远为零。在用汇编语言编写时，这 32 个寄存器的名称也根据其在调用约定中的职能而被重新命名。具体如下表

寄存器名称	汇编名称	功能描述	调用返回后其值是否会保证不变
x0	zero	零寄存器	未定义
x1	ra	返回地址	否
x2	sp	栈指针	是
x3	gp	全局指针	未定义
x4	tp	线程指针	未定义
x5	t0	临时寄存器	否
x6	t1	临时寄存器	否
x7	t2	临时寄存器	否
x8	s0/fp	该寄存器需要被调函数予以保存，或也可用作调用栈的帧指针	是
x9	s1	该寄存器需要被调函数予以保存	是
x10~x11	a0~a1	函数参数或返回值	否
x12~x17	a2~a7	函数参数	否
x18~x27	s2~s11	该寄存器需要被调函数予以保存	是
x28~x31	t3~t6	临时寄存器	否

除32个通用寄存器外，RSIC-V还定义一个PC寄存器，该寄存器指向当前正在执行的指令的内存地址。

二、常用的 RSIC-V 汇编指令

RISC-V汇编指令分类主要有以下几种：算术运算指令、逻辑运算指令、位移运算指令、内存读写指令、分支与跳转指令。如下图所示，汇编语言的操作与指令是一一对应的，汇编程序可以很简单快速的翻译成机器指令。

在基本ISA中，有四种核心指令格式（R/I/S/U），如下图所示。所有的指令都是固定 32位长度的，并且在存储器中必须在4字节边界对齐。当发生一个条件分支或者无条件转移而且目标地址不是对齐到4字节时，将会产生一个指令地址不对齐的异常。如果条件分支没有发生（not taken），那么将不会产生一个取指不对齐异常。

下面我们对常用指令进行介绍。

算术运算

dd rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1与rs2的值相加并写入寄存器rd。
sub rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1与rs2的值相减并写入寄存器rd。
addi rd,rs1,imm
：将寄存器rs1的值与立即数imm相加并存入寄存器rd。
mul rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1与rs2的值相乘并写入寄存器rd。
div rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1除以寄存器rs2的值，向零舍入并写入寄存器rd。
rem rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1模寄存器rs2的值并写入寄存器rd。

以上运算发生溢出时会自动截断高位，将低32位写入寄存器中。

逻辑运算

and rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1与rs2的值按位与并写入寄存器rd。
andi rd,rs1,imm
：将寄存器rs1的值与立即数imm的值按位与并写入寄存器rd。
or rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1与rs2的值按位或并写入寄存器rd。
ori rd,rs1,imm
：将寄存器rs1的值与立即数imm的值按位或并写入寄存器rd。
xor rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1与rs2的值按位异或并写入寄存器rd。
xori rd,rs1,imm
：将寄存器rs1的值与立即数imm的值按位异或并写入寄存器rd。

移位运算

sll rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1的值左移寄存器rs2的值这么多位，并写入寄存器rd。
slli rd,rs1,imm
：将寄存器rs1的值左移立即数imm的值这么多位，并写入寄存器rd。
srl rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1的值逻辑右移寄存器rs2的值这么多位，并写入寄存器rd。
srli rd,rs1,imm
：将寄存器rs1的值逻辑右移立即数imm的值这么多位，并写入寄存器rd。
sra rd,rs1,rs2
：将寄存器rs1的值算数右移寄存器rs2的值这么多位，并写入寄存器rd。
srai rd,rs1,imm
：将寄存器rs1的值算数右移立即数imm的值这么多位，并写入寄存器rd。

左移会在右边补0，逻辑右移会在最高位添0，算数右移在最高位添加符号位。

区分算数右移和逻辑右移，是从计算的角度考虑的：左移一位等于乘2，右移一位等于除2是算数的规律；无论正数负数，在右边补0都等于乘2；而负数进行逻辑右移的结果不等于除以2，需要用算数右移；而若只有算术右移，则无符号数的运算又会受影响。

数据传输指令

现代计算机以字节（byte，1byte=8bits)为基本单位，而内存本身可被视作由byte组成的一维数组，地址从0开始。字（word)则是存取数据的另一个单位，在RISC-V中1word=4Bytes=32bits，在其他体系结构中可能会发生变化。

lb rd,offset(rs1)
：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个字节，符号扩展后存入rd
lh rd,offset(rs1)
：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读半个字，符号扩展后存入rd
lw rd,offset(rs1)
：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个字，符号扩展后存入rd
lbu rd,offset(rs1)
：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个无符号的字节，零扩展后存入rd
lhu rd,offset(rs1)
：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读半个无符号的字，零扩展后存入rd
lwu rd,offset(rs1)
：从地址为寄存器rs1的值加offset的主存中读一个无符号的字，零扩展后存入rd
sb rs1,offset(rs2)
：把寄存器rs1的值存入地址为寄存器rs2的值加offset的主存中，保留最右端的8位
sh rs1,offset(rs2)
：把寄存器rs1的值存入地址为寄存器rs2的值加offset的主存中，保留最右端的16位
sw rs1,offset(rs2)
：把寄存器rs1的值存入地址为寄存器rs2的值加offset的主存中，保留最右端的32位

比较指令

有符号数：

slt rd,rs1,rs2
：若rs1的值小于rs1的值，rd置为1，否则置为0
slti rd,rs1,imm
：若rs1的值小于立即数imm，rd置为1，否则置为0

无符号数：

sltu rd,rs1,rs2
：若rs1的值小于rs1的值，rd置为1，否则置为0
sltiu rd,rs1,imm
：若rs1的值小于立即数imm，rd置为1，否则置为0

条件分支指令

beq rs1,rs2,lable
：若rs1的值等于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行
bne rs1,rs2,lable
：若rs1的值不等于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行
blt rs1,rs2,lable
：若rs1的值小于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行
bge rs1,rs2,lable
：若rs1的值大于等于rs2的值，程序跳转到lable处继续执行

blt和bge也有无符号版本bltu和bgeu。

无条件跳转指令

j label
：程序直接跳转到lable处继续执行
jal rd,label
：用于调用函数，把下一条指令的地址保存在rd中（通常用x1），然后跳转到label处继续执行
jalr rd,offset(rs)
：可用于函数返回，把下一条指令的地址存到rd中，然后跳转到rs+offset地址处的指令继续执行。若rd=x0就是单纯的跳转（x0不能被修改）

三、分析完整的 RSIC-V 汇编程序

我们对下面的程序的汇编代码进行分析。

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

其汇编代码为

	.file	"hello.c"
	.option nopic
	.text
	.align	1
	.globl	g
	.type	g, @function
main:
	addi	sp,sp,-16            //栈指针-16，构造栈空间
	sd	ra,8(sp)                 //把ra放到mem(sp + 8)中
	sd	s0,0(sp)                 //把s0放到mem(sp)中
                                 //以上两步保存寄存器的值
	addi	s0,sp,16             //把sp+16放到s0中，s0保存的是栈底指针
	li	a0,8                     //a0 = 8
	call	f                    //调用f
	mv	a5,a0                    //a5 = a0,a0保存的是调用函数的返回值
	addiw	a5,a5,1              //a5 = a5 + 1
	sext.w	a5,a5
	mv	a0,a5                    //a0 = a5,a0保存返回值
	ld	ra,8(sp)                 //ra = mem(sp + 8)
	ld	s0,0(sp)                 //s0 = mem(sp)
                                 //以上两步恢复寄存器的值
	addi	sp,sp,16             //sp = sp + 16,释放栈空间
	jr	ra
	.size	main, .-main
	.ident	"GCC: (GNU) 10.2.0"
f:
	addi	sp,sp,-32            //栈指针-32，构造栈空间
	sd	ra,24(sp)                //把ra放到mem(sp + 24)中
	sd	s0,16(sp)                //把s0放到mem(sp + 16)中
	addi	s0,sp,32             //把sp+16放到s0中，s0保存的是栈底指针
	mv	a5,a0                    //a0 = a5
	sw	a5,-20(s0)               //mem(s0 - 20) = a5
	lw	a5,-20(s0)               //a5 = mem(s0 - 20)
	mv	a0,a5                    //a5 = a0
	call	g                    //调用g
	mv	a5,a0                    //a5 = a0
	mv	a0,a5                    //a0 = a5
                                 //以上几行除了调用g之外在做无用功，猜测可能程序太简单了😂
	ld	ra,24(sp)                //ra = mem(sp + 24)
	ld	s0,16(sp)                //s0 = mem(sp + 16),返回现场
	addi	sp,sp,32             //sp = sp + 32,退栈
	jr	ra
	.size	f, .-f
	.align	1
	.globl	main
	.type	main, @function
g:
	addi	sp,sp,-32            //栈指针-32，构造栈空间
	sd	s0,24(sp)                //把s0放到mem(sp + 24)中
                                 //因为函数g没有调用函数，可能因此就没有保存栈指针
	addi	s0,sp,32             //新的栈底
	mv	a5,a0                    //又是一串无用功
	sw	a5,-20(s0)
	lw	a5,-20(s0)
	addiw	a5,a5,3              //参数从a0最后传到a5,a5 = a5 + 3
	sext.w	a5,a5
	mv	a0,a5                    //返回结果放到a0
	ld	s0,24(sp)                
	addi	sp,sp,32             //恢复现场
	jr	ra
	.size	g, .-g
	.align	1
	.globl	f
	.type	f, @function