RSIC-V汇编语言基础

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

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

函数的堆栈框架

由上面的程序和汇编代码，我们可以猜测出RSIC-V的函数调用栈的框架。

call指令是一条伪指令，由auipc和jlar两条指令组成，作用就是调用子过程。

 参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/496767749

https://blog.csdn.net/Cerman/article/details/122020984

https://whycan.com/files/members/7090/riscv-spec-v2.1%E4%B8%AD%E6%96%87%E7%89%88.pdf

https://blog.csdn.net/qq_41976613/article/details/90550181

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