RISC-V入门（2）-RISC-V汇编语言编程

本文最后更新于：3 个月前

汇编语法介绍

一条典型的RISCV汇编语句由三个部分组成[label:][operation][comment]。
后缀.s和.S区别：后者纯汇编。

  • label(标号)

  • operation可以有以下多种类型:

    • instruction (指令) ：直接对应二进制机器指令的宇符串

    • pseudo-instruction (伪指令) ：为了提高编写代码的效率,可以用一条伪指令指示汇编器产生多条实际的指令(instructions)。

    • directive (指示/伪操作) ：通过类似指令的形式(以”.”开头),通知汇编器如何控制代码的产生等，不对应具体的指令。

    • macro：采用.macro/.endm自定义的宏

      例子

      1
      2
      3
      4
      5
      6
      7
      8
      9
      10
      11
      12
      13
      14
      15
      .macro do_nothing	# directive
      	nop		# pseudo-instruction
      	nop		# pseudo-instruction
      .endm			# directive

      	.text		# directive
      	.global _start	# directive
      _start: 		# Label
      	li x6, 5	# pseudo-instruction
      	li x7, 4	# pseudo-instruction
      	add x5, x6, x7	# instruction
      	do_nothing	# Calling macro
      stop:	j stop		# statement in one line

      	.end		# End of file

  • comment（注释）以#开头到行尾

RISCV介绍

什么是ISA

底层硬件电路面向上层软件程序提供的一种接口规范。
ISA定义了：

  • 基本数据类型
  • 寄存器
  • 指令
  • 寻址模式
  • 异常或者中断等

为什么要ISA

为上层软件提供一层抽象，制定规则和约束，让编程者不用操心具体的电路结构。（微架构考虑的事）

IBM360是第一个将ISA与其实现分离的计算机。

复杂指令集（CISC）与简单指令集（RISC）

CISC(Complex Instruction Set Computing)：针对特定的功能实现特定的指令，导致指令数目比较多，但生成的程序长度相对较短。
RISC(Reduced Instruction Set Computing)：只定义常用指令,对复杂的功能采用常用指令组合实现，这导致指令数目比较精简，但生成的程序长度相对较长。

ISA宽度

宽度指的是CPU通用寄存器的宽度（二进制位数），这决定了寻址大小，数据运算能力

开源与闭源

RISCV是什么

  • 一款高质量,免许可证，开放的RISC ISA
  • 一套由非营利的RISC-V基金会维护的标准: https://riscv.org/
  • 适用于所有类型的计算系统：从微控制器到超级计算机
  • RISC-V不是一家公司，也不是一款CPU实现。

命名规范

ISA命名格式: RV[###][abc...xyz]

  • RV:用于标识RISC-V体系架构的前缀，即RISC-V的缩写。
  • [##]: {32, 64, 128}用于标识处理器的字宽,也就是处理器的寄存器的宽度单位为bit
  • [abc xyz]:标识该处理器支持的指令集模块集合。例子: RV32IMA, RV64GC

    模块化

通用寄存器

PC寄存器没有暴露出来，无法直接获取，改动。

HART

HART = HARdware+Thread=硬件线程
以往一个Core里可能有两个执行流，

特权级别

不同特权级别下分别对应一套寄存器，比如用户态不能访问内核态的寄存器，这就起到了保护的作用。

高级别可以访问低级别的寄存器。

RISCV汇编指令总览

操作对象

  • 寄存器
    • 32个通用寄存器,x0 ~ x31（注意：本章节课程仅涉及RV32I的通用寄存器组）；
    • 在RISC-V中，Hart在执行算术逻辑运算时所操作的数据必须直接来自寄存器。
  • 内存
    • Hart可以执行在寄存器和内存之间的数据读写操作;
    • 读写操作使用字节(Byte)为基本单位进行寻址;
    • RV32可以访问最多2^32个字节的内存空间。

编码格式

小端序

  • 主机字节序(HBO-Host Byte Order)
  • 一个多字节整数在计算机内存中存储的字节顺序称主机字节序(HBO- Host Byte Order，或者叫本地字节序)
  • 不同类型CPU的HBO不同,这与CPU的设计有关。分为大端序(Big-Endian)和小端序(Little-Endian)

指令分类

指令详解

算术运算指令

ADD

算数指令只包含加减，不包含乘除，乘除运算有专门的扩展。


数据传送顺序是由后向前，和正常的编码习惯类似。


.text告诉编译器下面内容放到elf的text section中。
.global声明一个全局函数

elf文件包含了调试信息
使用objcopy命令生成的bin文件，剔除了调试信息

SUB Substract

练习

现知道某条RISC-V的机器指令在内存中的值为b3 05 95 00,从左往右为从低地址到高地址，单位为字节，请将其翻译为对应的汇编指令。

  • 确定字节序
    在RISCV中存放是小端序，根据题意真正指令应该是00 95 05 b3
  • 转换二进制
    机器码是二进制，所以需要将上述指令值转换为二进制，可得0000000 01001 01010 000 01011 0110011
  • 查阅手册
    查阅The RISC-V Instruction Set Manual Volume I: Unprivileged ISA找到RV32/64G Instruction Set Listings指令表格，低7位是opcode，查表可得0110011对应操作码有多个SLLI SRAI SUB 等等，此时再看最高位00000000,可以确定是ADD指令
  • 将分割的二进制转成十进制
    0000000 9 10 000 11 010011->ADD x11 x10 x9

    ADDI ADD Immediate

LUI Load Upper Immediate




基于算术运算指令实现的其他伪指令

x0寄存器具有特殊含义，往里写数据没有意义。
NOP指令主要为了占位，空转。

逻辑运算指令

逻辑运算

移位运算指令

逻辑移位

算数移位

只有右移，没有左移。左移会把最高位覆盖。

内存读写指令

条件分支指令

指令格式中的立即数(imm)存放有些奇怪，第[1-4]位和第[11]位放在一起，第[5-10]位和第[12]位放在一起。这是为了迎合硬件处理效率，编程时不需要考虑立即数存储方式。

无条件跳转指令

RISC-V指令寻址模式总结

汇编函数调用约定

函数调用过程概述

栈（stack）数据结构，在函数调用过程中会用来保存变量，函数地址等等。

栈帧里保存的变量是自动变量，会被内存自动释放。

为何要有调用者与被调用者保存的概念

函数调用过程中就会有参数和返回值的传递，自己写的函数可能由别人来调用，如果没有约定好某个参数存放位置，就不能够顺利执行函数。

因为寄存器需要经常在编程中使用，所以ABI名就是寄存器的别名。

这些寄存器其实都可以设置成被调用者保存，也就是在被调用函数中保存一遍为啥还要分这么多
答：因为保存一遍效率低

汇编与C混合编程

前提

遵守ABI（Abstract Binary Interface）的规定

  • 数据类型大小，布局，对齐
  • 函数调用约定
  • 系统调用约定
    等等

RISC-V函数调用约定规定

  • 函数参数采用寄存器a0-a7
  • 函数返回值采用寄存器a0,a1

汇编嵌入C语言

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
# ASM call C

	.text			# Define beginning of text section
	.global	_start		# Define entry _start
	.global	foo		# foo is a C function defined in test.c

_start:
	la sp, stack_end	# prepare stack for calling functions

	# RISC-V uses a0 ~ a7 to transfer parameters
	li a0, 1
	li a1, 2
	call foo    #调用了C语言函数
	# RISC-V uses a0 & a1 to transfer return value
	# check value of a0

stop:
	j stop			# Infinite loop to stop execution

	nop			# just for demo effect

stack_start:
	.rept 10
	.word 0
	.endr
stack_end:

	.end			# End of file

call foo就是在调用C语言函数，foo。
.global foo告诉编译器foo函数定义在外面。

C语言嵌入汇编


下图中为简化写法

RISC-V入门
RISCV

本博客所有文章除特别声明外，均采用 CC BY-SA 4.0 协议 ，转载请注明出处！