CS61C 学习笔记

RISC-V Assembly Language

RISC-V 是一种指令集

这幅图展现了处理器的基本架构

接下来介绍一下 RISC-V 的指令，

加法命令

add x1, x2, x3

x1 表示结果的位置
x2 表示第一个操作数的位置
x3 表示第二个操作数的位置

减法运算

sub x3, x4, x5

如果有算式

d = e - f

其中 d 是 x3，e 是 x4，f 是 x5

如果我现有 C 语言算式 f = (g + h) - (i + j)

把它翻译成 RISC-V 就是

add x5, x20, x21 # a_tmp = g + h
add x6, x22, x23 # b_tmp = i + j
sub x19, x5, x6 # f = (g + h) - (i + j)

立即加法指令

addi x3, x4, 10

和

f = g + 10

是一样的，其中 x3 是 f，x4 是 g

一般，我们如果要复制一个寄存器的值，要用指令

add x3, x4, x0

因为 x0 恒为 0

Load from memory 就是数据从内存中加载进寄存器中

Store to memory 就是数据从寄存器放回内存中

数据通常小于 32 位，但很少小于 8 位

所以，我们把 8 位一组称为一个字节

地址实际上是按照字节计算的例如，32 位就占 4 个字节

小端序约定表示低的地址位对应于低的字节位

回到 RISC-V 指令

现有 C 语言代码

int A[100]
g = h + A[3]

使用 RISC-V 写就是

lw x10, 12(x15) # x10 = A[3]
add x11, x12, x10

x15 就是 A[0] 的位置
12 就是偏移量，3 个字节

int A[100]
A[10] = h + A[3]

使用 RISC-V 去书写就是

lw x10, 12(x15)
add x10, x12, x10
sw x10, 40(x15)

除了加载 4 个字节的 sw，lw 以外，我们有可以加载 1 个字节的 sb，lw

在 RISC-V 中，if 语句的指令是

beq reg1, reg2,L1

如果寄存器 reg1 中的值等于寄存器 reg2 中的值，则跳转到标记为 L1 到语句，否则，进入下一条语句

beq 到意思是 branch if equal

除了

beq 之外还有一些条件控制语句

beq (branch if equal)
bne (branch if not equal)
blt (branch if less than)
bge (branch if greater)
bltu, bgeu 是 blt 和 bge 的无符号版本

还有一个无条件分支，总是跳转

jump(j) label

看一个例子

f->x10 g->x11 h->x12 i->x13 j->x14

if (i == j)
    f = g + h
else
    f = g - h

翻译成汇编码就是

	bne x13, x14, Else
	add x10, x11, x12
	j Exit
Else: sub x10, x11, x12
Exit:

C 语言中有三种循环类型，while，for 和 do while

每种形式可以重写成另外两种之一，因此，相同的分支方法可以应用于这些所有循环

来看一下 C 语言循环转化到 RISC- V 汇编的例子

RISC-V 中也有按位处理的操作，被称为逻辑操作

这些操作始终有两种变体

寄存器形式 add x5, x6, x7
立即数形式 addi x5, x6, 3 # x5 = x6 & 3

在 RISC-V 中没有 not 指令，所以需要用与 11111111 取 xor 操作来代替

移位分为两种，一种是逻辑移位（sll）和立即数形式（slli）

slli x1, x12, 2 # x11 = x12 << 2

将 x12 的值左移 2 位，超出部分丢弃，右侧补零

还有一种是算数移位，算数右移（sra，srai）向右移动 n 位，将最高位符号位填入空出的位置

还有一些有用的 RISC-V 汇编器特性

例如 a0-a7 表示函数调用时的参数寄存器 x10-x17

还有一些伪指令，常见汇编用法的简写语法

mv rd, rs = addi rd, rs, 0
li rd, 13 = addi rd, x0, 13
nop = addi, x0, x0, 0

Function Calls

调用函数有六个基本步骤

将参数（arguments）放在函数可以访问的位置
将控制权转移到函数
获取函数所需的（本地）存储资源
执行函数的任务
将返回值放在调用函数可以访问的位置，并恢复函数使用的的寄存器，释放局部存储空间
将控制权返回到控制点，因为一个函数可以从程序中的多个位置被调用

RSIC-V 函数调用约定

寄存器比内存更快，因此，尽量使用寄存器
a0-a7 (x10-x17) 八个参数寄存器，用于传递参数和两个返回值（a0-a1）
ra（x1）：一个返回地址寄存器，用于返回调用点
还有 s0-s1（x8-x9）和 s2-s11（x18-x27）保存寄存器

在 RSIC-V 中，所有指令都是 4 个字节，并像数据一样存储在内存中

在调用函数的位置有两步

1008 addi ra, zero, 1016
1012 j sum

这里可以写成一步

1008 jal sum

表示 jump and link 链接并跳转

从函数返回的时候，无条件的跳转到寄存器 ra 的位置

j ra

也可以写成伪指令的形式

ret