Riscv学习笔记 - 常用指令
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常用指令
算术运算
| 指令 | 格式 | 功能 |
|---|---|---|
add | add rd, rs1, rs2 | rd = rs1 + rs2 |
addi | addi rd, rs1, imm | rd = rs1 + imm |
sub | sub rd, rs1, rs2 | rd = rs1 - rs2 |
add和addi的区别就是add用于将两个寄存器相加后存入另一个寄存器，addi用于将一个寄存器加上立即数后存入。
与操作码一起放在指令代码段中的数值。直观来说就是直接写在指令后边的数。
为何没有subi指令？
subi指令？可以用sub rd, rs1, -imm来实现。
逻辑运算
| 指令 | 格式 | 功能 |
|---|---|---|
and | and rd, rs1, rs2 | 逻辑与 |
or | or rd, rs1, rs2 | 逻辑或 |
xor | xor rd, rs1, rs2 | 逻辑异或 |
sll | sll rd, rs1, shamt | 逻辑左移 |
srl | srl rd, rs1, shamt | 逻辑右移 |
sra | sra rd, rs1, shamt | 算术右移 |
srl相较于sra，srl右移后左侧补零，而sra会扩展符号位。
为什么没有not指令？
not指令？可以用xor rd, rs1, -1来实现。
分支控制
| 指令 | 格式 | 功能 |
|---|---|---|
beq | beq rs1, rs2, L1 | If rs1==rs2 goto L1 |
bne | bne rs1, rs2, L1 | If rs1!=rs2 goto L1 |
blt | blt rs1, rs2, L1 | If rs1<rs2 goto L1 |
bge | bge rs1, rs2, L1 | If rs1>=rs2 goto L1 |
bltu | bltu rs1, rs2, L1 | 上面两个条件的无符号版本 |
bgeu | bgeu rs1, rs2, L1 |
使用if-else语句时，判断条件是==，就要用bne；条件是!=，就要用beq：
IF: bne rs1, rs2, Else # --> Else: rs1!=rs2
# ↓ If: rs1==rs2
...
j Then
Else:
# code for else statement
...
j Then
Then:
# code for then statement
...伪指令
这些指令并不是可执行的指令，没有相应机器码，在编译时会被替换成其他指令。
以下几个伪指令就相当于是一些指令的简写，编译时会被替换为相应指令。
| 指令 | 格式 | 对应指令 | 功能 |
|---|---|---|---|
mv | mv rd, rs | addi rs, rs, 0 | 移动寄存器的值 |
neg | neg t0, t1 | sub t0, zero, t1 | 取负数（补码） |
not | not t0, t1 | xori t0, t1, -1 | 取反码 |
li | li rd, imm | addi rd, x0, imm | 加载立即数 |
la | la t0, str | lui t0, str[31:12]; addi t0, t0, str[11:0]或auipc t0, str[31:12]; addi t0, t0, str[11:0] 详见下一节 | 加载地址 |
nop | nop | addi x0, x0, 0 | 空操作 |
beqz | beqz t0, loop | beq t0, zero, loop | t0==0时跳转 |
加载与储存
有时我们需要从内存中加载数据到寄存器中，或者将寄存器中的数据保存到内存中。 我们将内存中数据的地址放在寄存器中，然后将数据读出或写入到另一个寄存器里。
| 指令 | 格式 | 功能 |
|---|---|---|
lw | lw rd, imm(rs1) | 从rs1+imm处取一个字到rd |
lb | lb rd, imm(rs1) | 从rs1+imm处取一个字节到rd |
lbu | lb rd, imm(rs1) | 从rs1+imm处取一个字节(无符号数)到rd |
sw | sw rs1, imm(rs2) | 保存rs1到rs2+imm处 |
sb | sb rs1, imm(rs2) | 保存rs1到rs2+imm处 |
例如，从栈里取一个字：
lw t0, 0(sp)栈和寄存器sp的概念稍后就会讲到
这里要注意数据流动的方向：
- load:
rd(寄存器)←rs1+imm(内存) - store:
rs1(寄存器)→rs2+imm(内存)
函数调用与跳转
函数调用的六个步骤：
- 设置函数参数(
a0到a7) - 移交控制权给被调用函数(
jal) - 获取函数需要的本地资源
- 完成函数执行的任务
- 储存返回值并恢复寄存器的值；释放本地资源
- 移交控制权给主处理器(
ret)
| 指令 | 格式 | 功能 | 对应指令 |
|---|---|---|---|
j | j label | 跳转 | jal x0, label |
jr | jr rs1 | 跳转到寄存器 | |
jal | jal rd, label | 跳转并链接 | |
jalr | jalr rd, rs1, offset | 跳转并链接(带偏移) | |
ret | ret | 返回 | jr ra |
jal 相当于addi ra, zero, imm; j label，省去每次都手动设置返回地址的麻烦。
但实际上j才是伪指令，这里只是说作用上的的等价。
1008 addi ra, zero, 1016
1012 sum等价于：
1008 jal sum栈
| 寄存器 | 功能 | 别名 |
|---|---|---|
x0 | 0 | zero |
x1 | 返回地址 | ra |
x2 | 栈指针 | sp |
栈是一种先进后出的数据结构，用来保存函数调用时的临时变量。我们使用sp寄存器来指向栈顶，sp自增或自减来移动栈顶指针。要注意的是，栈是一块连续的内存空间，由高地址向低地址增长，故增长栈的时候，栈指针sp要向低地址移动，反之增加。
例子：
int Leaf(int g, int h, int i, int j) {
int f;
f = (g + h) - (i + j);
return f;
}我们把Leaf的四个参数分别放在a0, a1, a2, a3中，把f放在s0中。为了进行计算，我们可能还需要一个临时变量s1。
所以我们还需要2*4=8个字节的栈空间用来保存s0和s1的原始值，以便返回后恢复。
push、pop的指令，而是直接通过addi和lw等来实现栈操作。Leaf:
# Step 1: prologue
addi sp, sp, -8 # 增加8个字节的栈空间
sw s1, 4(sp) # 保存临时变量s1
sw s0, 0(sp) # 保存临时变量s0
# Step 2
add s0, a0, a1 # 计算f = (g + h)
add s1, a2, a3 # 计算s = (i + j)
sub s0, s0, s1 # 计算f = (g + h) - (i + j)
# Step 3: epilogue
jal func
lw s0, 0(sp) # 恢复s0
lw s1, 4(sp) # 恢复s1
addi sp, sp, 8 # 释放栈空间
retprologue序言 是施法前摇，而 epilogue结语 是后摇。
嵌套函数的返回
设想这样的场景：函数A调用函数B，记录下A的栈指针；B又调用C，记录下B的栈指针。但问题是，我们只有一个栈指针寄存器sp，怎么保存函数调用过程中的两个栈指针呢？
| 寄存器 | ABI名称 | 功能 | Saver |
|---|---|---|---|
x0 | $zero | 硬编码为0 | - |
x1 | ra | 返回地址 | Caller |
x2 | sp | 栈指针 | Callee |
x3 | gp | 全局指针 | - |
x4 | tp | 线程指针 | - |
x5 | t0 | 临时寄存器 | Caller |
x6-7 | t1-2 | 临时寄存器 | Caller |
x8 | s0/fp | 保存寄存器/帧指针 | Callee |
x9 | s1 | 保存寄存器 | Callee |
x10-11 | a0-1 | 参数寄存器、返回值寄存器 | Caller |
x12-17 | a2-7 | 参数寄存器 | Caller |
x18-27 | s2-11 | 保存寄存器 | Callee |
x28-31 | t3-6 | 临时寄存器 | Caller |
| Preserved(callee-saved) | NonPreserved(caller-saved) |
|---|---|
Saved registers:s0-s11 | Return address: ra |
Stack pointer:sp | Argument registers:a0-a7 |
Return values:a0-a1 | |
Temporary registers:t0-t6 |
Caller-saved指的是，在调用函数之前，调用者需要自己保存的寄存器，比如为了传递参数，需要覆盖参数寄存器a0-a7，这些寄存器的原始值就需要调用者保存，即放到栈上，以便在被调用函数返回时恢复。（实际上恢不恢复由具体情况决定，总之是调用者在管理）
Callee-saved指的是，在调用函数时，Callee需要保存的寄存器，比如s0-s11，被调用函数需要提前保存原始值并在返回时恢复。
区分二者最简单的方法就是看Callee退出时需不需要恢复其值，如果需要，就属于Callee-saved；否则就属于Caller-saved。
| Caller保存寄存器 | Callee保存寄存器 |
|---|---|
| 函数调用前后可能改变 | 函数调用前后不变 |
| 会被Callee污染 | 需要Callee维护，防止污染 “谁污染，谁治理” |
程序的位置
一个简单的程序在riscv上运行时在内存里的位置如图：
其中：
Reserved：保留空间，系统调用、io等就在这里Text：代码段，由pc指向当前代码的位置Static：静态数据(即全局变量)Dynamic Data：动态数据，malloc分配的空间就在这里Stack：栈。
小结
有了以上知识，我们就可以用汇编来实现几乎所有的程序了，其他的无非是一些系统调用和“让我们生活更加轻松的东西”。
芜湖！