CS61C – 2 RISC-V Assembly Language(1)

这一部分对应的是 Lec 06 ~ 09 (哔大上的参考课程为 [Summer 20] )，重点围绕 RISC – V 的汇编语言知识点作解释与拓展

啊 RISC – V，想起来写 NJU – nemu PA2 的某些痛苦回忆 ( •́ὤ •̀)

指令集架构 (ISA) 的基本概念

核心定义

指令（Instruction）：CPU 可以执行的基本操作，是硬件能够直接理解和执行的“动词”。

指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）：一个特定 CPU 所实现的所有指令的集合。它定义了软件与硬件之间的协作关系。

RISC 哲学

ISA 的早期设计理念其实是两极分化的，包括 CISC 和 RISC 两种方向。

具体来说，CISC 倾向于使用一条指令完成复杂工作。希望通过强大的单条指令减少机器指令数，从而简化编译器设计和高阶语言之间的“语义差距”。而 RISC 则倾向于一条指令完成简单工作。希望通过简单的指令集提高执行效率，依赖多条指令的组合来完成复杂任务。

显然 CISC 对硬件的要求要小于 RISC ，但其某些指令的执行周期要远高于 RISC。

现代设计已不存在单纯的 RISC 或 CISC，两者的相互参考、相互借鉴是更常见的情况。

Registers – 寄存器

寄存器是 CPU 内部的高速存储单元，其访问速度远快于内存。使用有限数量的寄存器可以保持硬件简单高效。

RISC – V 规范下包括32个通用寄存器，编号从 x0 ~ x31,每个寄存器32 bits 宽

• x0 永远为0，且写入x0不会产生任何效果，因而被用于提供 Constant 0 或执行空操作
• 寄存器本身没有类型一说，数据的类型和解释取决于对其进行操作的指令

RISC – V 的基本指令格式与语法

这部分有更权威的说明 —— RISC – V manual(汉化在这)，此处只进行简要说明

基本格式

[操作码 目标寄存器, 源寄存器1, 源寄存器2/立即数]，比如：

add x1, x2, x3
addi x1, x2, 10   # imm 立即数
addi x1, x2, -10  # 所以不需要subi

设计优势

• 模块化：RISC – V 除了基础的整数指令集 (I)，还有标准扩展，如乘法/除法 (M)、原子操作 (A)、单/双精度浮点 (F/D)。可以根据应用场景（如微控制器或超级计算机）像搭积木一样组合需要的扩展。
• 开源：伟大，无需多盐

加载与储存

前面我们提及了寄存器，它与内存(Memory)的区别是

• 寄存器快但小
• 内存大但慢

现代CPU对于指令的执行速度已经远远高于内存了，所以直接在内存中寻找数据是极其不明智且不现实的，我们有必要将数据从内存加载（Load） 到寄存器中进行计算，然后再将结果存储（Store） 回内存。

当然 Register 和 Memory 之间显然是有“代沟”的，这会在之后讨论 Cache (缓存) 时再进行讨论

内存编址与字节序 (Endianness)

• 字节寻址：内存的基本可寻址单元是字节（Byte, 8位），而不是字（Word, 32位）
• 字地址：一个字占 4 个字节。字的地址是其起始字节的地址。
• 大小端（Endianness）：定义多字节数据（如一个字）在内存中的存储顺序。
  • 小端序 (Little-Endian)：最低有效字节（LSB） 存放在最低的内存地址处。RISC-V 和 x86 架构采用小端序。
  • 大端序 (Big-Endian)：最高有效字节（MSB） 存放在最低的内存地址处。用于网络协议和一些老的架构（如 PowerPC）。

加载指令 (Load Instructions)

• 格式：lw rd, offset(rs1)
• 操作：从内存地址 [rs1 + offset] 处加载一个完整的字（32位） 到目标寄存器 rd。
• 示例：lw x10, 12(x15)
  • 计算地址：Address = contents_of(x15) + 12
  • 操作：将内存 [Address] 到 [Address+3] 的 4 个字节加载到寄存器 x10 中。
  • C 语言等价操作：int temp = array[3]; (假设 x15 指向 array[0]，int 为 4 字节)。

存储指令 (Store Instructions)

• 格式：sw rs2, offset(rs1)
• 操作：将源寄存器 rs2 中的一个完整的字（32位） 存储到内存地址 [rs1 + offset] 处。
• 示例：sw x10, 40(x15)
  • 计算地址：Address = contents_of(x15) + 40
  • 操作：将寄存器 x10 中的 32 位数据存入内存 [Address] 到 [Address+3]。
  • C 语言等价操作：array[10] = temp;

字节操作指令

• 加载字节 (lb)：lb rd, offset(rs1)
  • 从地址 [rs1 + offset] 加载单个字节，并将其符号扩展为 32 位后存入 rd。
  • 用于加载 char（有符号）类型数据。
• 加载无符号字节 (lbu)：lbu rd, offset(rs1)
  • 从地址 [rs1 + offset] 加载单个字节，并将其零扩展为 32 位后存入 rd。
  • 用于加载 unsigned char 类型数据。
• 存储字节 (sb)：sb rs2, offset(rs1)
  • 将寄存器 rs2 的最低 8 位存储到内存地址 [rs1 + offset]。
  • 高位字节被忽略。

分支与循环

默认情况下，CPU 按顺序一条接一条地执行指令（PC = PC + 4），但当我们陈列条件时，PC 需要根据条件测试的结果，决定是继续顺序执行还是跳转到程序的其他位置执行。这是实现 if, else, while, for 等高级语言控制结构的基础。

条件分支指令

• 分支 if equal (beq)：beq rs1, rs2, label
  • 如果 rs1 == rs2，则跳转到 label 处执行；否则，继续执行下一条指令。
• 分支 if not equal (bne)：bne rs1, rs2, label
  • 如果 rs1 != rs2，则跳转到 label 处执行。
• 大小比较分支：
  • blt rs1, rs2, label： Branch if Less Than（有符号比较）
  • bltu rs1, rs2, label： Branch if Less Than, Unsigned（无符号比较）
  • bge rs1, rs2, label： Branch if Greater than or Equal（有符号比较）
  • bgeu rs1, rs2, label： Branch if Greater than or Equal, Unsigned（无符号比较）
• 注意：RISC-V 没有 bgt (Branch if Greater Than) 或 ble (Branch if Less or Equal) 指令。这些条件需要通过交换操作数并使用 blt/bge 来实现。例如，if (a > b) 编译为 blt b, a, label。

    bne x13, x14, Else  # if (i != j)
    add x10, x11, x12   #   then-clause: f = g + h
    j Exit              #   skip else-clause
Else: sub x10, x11, x12   # else-clause: f = g - h
Exit:

无条件跳转指令

• 跳转 (j)：j label
  • 无条件地立即跳转到 label 处执行。
  • 用于实现 else 后的跳转、break、continue 以及循环的结尾跳转。

逻辑指令 (Logical Instructions)

• 用途：对寄存器中的位（Bits）进行逐位操作，常用于位掩码（Bitmasking）、打包/解包数据、设置或清除特定位。
• 指令格式：与算术指令类似，有寄存器-寄存器和寄存器-立即数两种格式。
• 核心指令：
  • AND (and, andi)：按位与。1 & 1 = 1，其他为 0。
    • 常见用法：掩码（Masking）。用 andi 和一个位模式（掩码）可以提取（保留）或清除特定位。
      • 例如：andi x5, x6, 0xFF 提取 x6 的最低 8 位（一个字节）。
  • OR (or, ori)：按位或。0 | 0 = 0，其他为 1。
    • 常见用法：设置特定位为 1。
  • XOR (xor, xori)：按位异或。相同为 0，不同为 1。
    • 常见用法：翻转特定位（与 1 异或），比较两个值是否相同。
• 没有 NOT 指令：RISC-V 没有单独的按位取反指令。需要通过异或全 1 来实现：xori x5, x6, -1（因为 -1 的二进制补码表示是全 1）。

移位指令 (Shift Instructions)

• 用途：将寄存器中的位向左或向右移动。
• 核心指令：
  • Shift Left Logical (sll, slli)：向左移动指定位数，右侧空出的位用 0 填充。
    • 效果：每左移 1 位，相当于对无符号数进行 * 2 操作。常用于快速计算$a\times 2^n$ 。
  • Shift Right Logical (srl, srli)：向右移动指定位数，左侧空出的位用 0 填充。
    • 效果：每右移 1 位，相当于对无符号数进行 / 2（向下取整）操作。
  • Shift Right Arithmetic (sra, srai)：向右移动指定位数，左侧空出的位用原数的符号位填充。
    • 效果：用于对有符号数进行除以 2 的幂运算。但它实现的是向下取整，而非 C 语言标准的向零取整。
    • 关键区别：对于负数，srai 和 / 的结果可能不同。例如 -25 / 16 在 C 语言中结果是 -1（向零取整），但 srai 的结果是 -2（向下取整）。

程序执行与指令编码

程序计数器 (Program Counter – PC)

• 定义：一个特殊的 CPU 内部寄存器，永远保存着下一条将要被执行的指令的内存地址。
• 默认行为：在大多数指令执行后，PC = PC + 4（因为每条 RISC-V 指令是 4 字节长），从而顺序执行下一条指令。
• 改变执行流：jal, jalr, j, 以及所有条件分支指令 (beq, bne等) 会通过给 PC 赋予一个新地址来改变程序的执行顺序。

2. 从汇编到机器码

• 汇编器 (Assembler)：将人类可读的汇编代码（.s 文件）翻译成机器可执行的二进制指令（目标文件 .o）。
• 链接器 (Linker)：将多个目标文件（和库文件）合并成一个最终的可执行文件（a.out），其主要任务之一是解析指令中的地址（例如 jal 后的标签地址）。

函数调用 (Function Calls)

这是这部分的核心和难点，至少我代码看起来有些吃力

函数调用的六个步骤

1. 传递参数 (Put arguments in a place)：将调用者（Caller）的参数放入被调用函数（Callee）可以访问的位置。
2. 转移控制 (Transfer control)：跳转到被调用函数的代码开始处。
3. 获取本地存储 (Acquire storage)：为被调用函数的局部变量分配内存空间（通常在栈上）。
4. 执行函数体 (Perform task)：运行函数的具体代码。
5. 存放返回值 (Put return value)：将函数的返回值放入调用者可以访问的位置。恢复任何被修改的寄存器，释放第 3 步分配的本地存储。
6. 返回控制 (Return control)：跳转回调用者调用函数之后的位置继续执行

RISC-V 函数调用约定 (Calling Conventions)

这是一套软硬件协同的规则，确保函数能正确协作。

• 参数传递：使用寄存器 a0–a7（即 x10–x17）来传递前 8 个参数。更多参数通过栈传递。
• 返回值：使用寄存器 a0 和 a1（即 x10, x11）来返回最多 2 个值。
• 返回地址：使用专用寄存器 ra（即 x1）来存储函数调用完成后应该返回的地址。
• 保留寄存器 (Saved Registers)：寄存器 s0–s11（即 x8, x9, x18–x27）是被调用者的责任。如果一个函数要使用它们，必须先在栈上保存其原始值，并在返回前恢复。这保证了调用者的这些寄存器值不会被意外修改。
• 这一部分在课程 lab 中会被反复使用

函数调用指令

• 跳转并链接 (jal)：jal rd, Label
  • 操作：
    • 将 PC + 4（即下一条指令的地址）存入目标寄存器 rd
    • 跳转到 Label 处执行
  • 最常见用法：jal ra, sum。这条指令一举完成了步骤 2 (转移控制) 和为步骤 6 (返回控制) 保存返回地址这两件大事。
• 跳转并链接寄存器 (jalr)：jalr rd, offset(rs1)
  • 操作：
    • 将 PC + 4 存入 rd。
    • 跳转到地址 [rs1 + offset] 处执行。
  • 更通用，可用于实现函数指针调用和 ret 伪指令。
• 跳转寄存器 (jr)：jr rs -> 这是一个伪指令，等价于 jalr x0, 0(rs)。
  • 作用：跳转到 rs 寄存器所保存的地址。
  • 最常见用法：jr ra，用于从函数返回（步骤 6）。它跳回到当初 jal 指令保存的地址。

伪指令 (Pseudo-Instructions)

汇编器提供的便捷写法，最终会被翻译成一条或多条真实指令。

• mv rd, rs -> addi rd, rs, 0 (寄存器拷贝)
• li rd, imm -> addi rd, x0, imm (加载小立即数)
• ret -> jr ra -> jalr x0, 0(ra) (函数返回)
• nop -> addi x0, x0, 0 (空操作，用于对齐或延迟)
• 其余可见手册

至此，RISC – V 的第一阶段告一段落