lec07-RISCV指令基础 2-学习笔记¶

1. 课程脉络¶

timeline
    title RISC-V函数实现专题演进
    2022春 : 指令基础 → 条件分支 → 无条件跳转
    2022春 : 函数调用机制 → JAL/JALR指令 → 栈帧管理
    2022春 : 调用约定 → 寄存器分类 → 实际案例解析

• 条件分支[←P4] → 函数跳转[←P10]
• 栈指针[←P28] → 调用约定[←P35]

2. 理论框架¶

基础假设¶

1. 寄存器存储模型：32位通用寄存器可存指针/整型数据（P2）
2. 程序计数器(PC)线性增长机制：PC_next = PC_current + 4（P9）
3. 冯诺依曼架构下指令-数据统一编址

数学表达¶

• JAL指令公式：

$$

\text{PC} \leftarrow \text{PC} + \text{offset} \
\text{rd} \leftarrow \text{PC} + 4

$$

20位偏移量支持±1MB跳转范围（P11）

• 栈操作公式：
  $$

\text{PUSH: } sp \leftarrow sp - n \times 4 \
\text{POP: } sp \leftarrow sp + n \times 4

$$

4字节对齐原则（P32）

应用场景¶

3. 学术图谱¶

graph TD
    A[RISC-V基础指令集] --> B[控制流指令]
    B --> C{分支指令}
    C --> C1[条件分支 bne/beq]
    C --> C2[伪指令 bgt/blt]
    B --> D[跳转指令]
    D --> D1[JAL:直接跳转]
    D --> D2[JALR:间接跳转]

    classDef red fill:#ff9999;
    classDef blue fill:#99ccff;
    class C1,C2 red;  
    class D1,D2 blue;  

4. 章节精析¶

4.1 条件分支实现¶

• 核心机制：通过比较寄存器值决定PC跳转
• 关键创新：bge替代bgt的指令精简设计（P4）
  
  Text Only

  # if-else实现范例
  bne x10,x11,else
  add x14,x12,x13   // true分支
  j done
  else: sub x14,x12,x13
  

4.2 函数调用规范¶

• 调用六步法（P46）：
  1. 参数传递 → 2. 控制转移 → 3. 栈分配
  4. 函数执行 → 5. 结果返回 → 6. 上下文恢复

• 调用约定矩阵：

4.3 栈帧管理¶

• 内存布局：
  
  Text Only

  0x00010000 [Text段]
  0x10000000 [Static Data]
  0xBFFFFFF0 [Stack]
  

• 典型操作：
  
  Text Only

  addi sp,sp,-8    // 分配8字节栈空间
  sw s0,0(sp)      // 保存寄存器
  lw s0,0(sp)      // 恢复寄存器
  

4.4 Calling Convention¶

| > | Register | Name | Description | Saved by |
| ------- | -------- | -------------------------------- | ----------- |
| x0 | zero | Always Zero | N/A |
| x1 | ra | Return Address | Caller |
| x2 | sp | Stack Pointer | Callee |
| x3 | gp | Global Pointer | N/A |
| x4 | tp | Thread Pointer | N/A |
| x5-7 | t0-2 | Temporary | Caller |
| x8-x9 | s0-s1 | Saved Registers | Callee |
| x10-x17 | a0-7 | Function Arguments/Return Values | Caller |
| x18-27 | s2-11 | Saved Registers | Callee |
| x28-31 | t3-6 | Temporaries | Caller |

逐行解释：
x0: 恒 0
x1：返回的地址（Return Address）
1. 由 caller 保存交给 callee 使用，是 callee 结束生命周期后返回的地址。
2. callee 在开始时需保存 caller 传过来的 ra，防止 callee 内部有函数调用（callee 此时成了下一级的 caller）将 ra 覆写找不回 ra

x2：用于恢复想要保存但可能被覆写的值的地方
a0-7: caller 用来传递参数的地方。a0-1 一般放返回值
t0-6：caller 想要保存参数的地方，由 caller 借助 x2 维护
1. Caller-Saved (临时寄存器)：
- t0 到 t6
- 这些寄存器用于存储临时变量或中间结果。
- 如果调用者（caller）在调用另一个函数之前使用了这些寄存器，并且希望在调用返回后还能使用这些值，那么调用者必须在调用前将这些寄存器的内容保存到栈中。
2. Callee-Saved (已保存寄存器)：

- `s0` 到 `s11`
- 这些寄存器通常用于存储需要长期保存的变量或指针。
- 被调用者（callee）如果使用了这些寄存器，必须在函数返回前将它们恢复到原始值。

例子：

int bar(int g, int h, int i, int j) { 
    int f = (g + h) - (i + j); 
    return f; 
}   

int foo(int x) {    
    // do stuff 
    int x = bar(g, h, i, j); 
    return (x * 2); 
} 

int main() { 
    // do stuff 
    foo(x); 
    // do stuff 
}

.data
g: .word 10        # 假设全局变量默认值
h: .word 20
i: .word 5
j: .word 5

.text
.global main

# int bar(int g, int h, int i, int j)
bar:
    add t0, a0, a1   # t0 = g + h (a0-a3存储参数)
    add t1, a2, a3   # t1 = i + j
    sub a0, t0, t1   # 返回值存a0
    ret

# int foo(int x)
foo:
    # 保存返回地址（非叶函数）
    addi sp, sp, -8
    sw ra, 4(sp)
    sw a0, 0(sp)     # 保存参数x（若需要）

    # 准备bar的参数：g=x, h, i, j
    mv a0, a0        # a0 = x（显式传递，可省略）
    la t0, h         # 加载h到a1
    lw a1, 0(t0)
    la t0, i
    lw a2, 0(t0)     # 加载i到a2
    la t0, j
    lw a3, 0(t0)     # 加载j到a3

    jal bar           # 调用bar

    slli a0, a0, 1   # 结果乘2（a0 << 1）

    lw ra, 4(sp)     # 恢复返回地址
    addi sp, sp, 8
    ret

main:
    addi sp, sp, -8
    sw ra, 0(sp)

    # 设置foo参数x=7（示例值）
    li a0, 7         # 假设调用foo(7)
    jal foo

    # ...后续操作...

    lw ra, 0(sp)
    addi sp, sp, 8
    ret

5. 思辨空间¶

关键辩题：Caller-saved vs Callee-saved寄存器划分合理性¶

增值模块¶

认知脚手架：函数调用安全模式¶

flowchart TD
    A[参数准备] --> B[ra保存]
    B --> C[Caller-saved寄存器入栈]
    C --> D[jal跳转]
    D --> E[栈空间分配]
    E --> F[函数逻辑]
    F --> G[结果回写]
    G --> H[栈空间释放]

学术预警系统¶

教授思维透视¶

• 论证偏好：
• 强调硬件-软件协同设计理念（见P7循环案例）
• 注重最小完备指令集哲学（P15伪指令设计）
• 学术倾向：
• 推崇分层解耦的系统观（P35调用约定设计）
• 警惕隐式状态依赖（P25寄存器保存必要性）

标题：分支指令对比矩阵

RISC-V 函数与指令总结¶

RISC-V 指令¶

条件分支¶

• 用途：实现 if-else、循环等控制流。
• 格式：{comparison} {reg1} {reg2} {label}
• 支持指令：beq, bne, blt, bge 等。
• 无直接 <= 或 >：需通过参数调换实现，例如：
  
  Text Only

  # A > B 等价于 B < A
  blt x11, x10, Label
  

无条件分支¶

• 跳转指令：
• j Label：直接跳转到标签位置（等价于 jal x0, Label）。
• jal rd, Label：跳转并保存返回地址到 rd（默认 ra）。
• 伪指令：
• ret = jalr x0, ra, 0：从函数返回。

JAL/JALR¶

• JAL：
  
  Text Only

  jal ra, Label   # 跳转到 Label，返回地址存入 ra
  

• JALR：
  
  Text Only

  jalr rd, rs, imm  # PC = [rs] + imm，返回地址存入 rd
  

• 用于动态跳转（如函数指针）。

函数调用与堆栈管理¶

调用约定¶

• Caller 责任：保存临时寄存器（t0-t6, a0-a7）和 ra。
• Callee 责任：保存被保存寄存器（s0-s11）和 sp。

栈帧与SP操作¶

• 栈指针（SP）：寄存器 x2，指向栈顶。
• 操作：
  
  Text Only

  addi sp, sp, -8   # 分配栈空间（压栈）
  sw s0, 0(sp)      # 保存寄存器到栈
  lw s0, 0(sp)      # 恢复寄存器
  addi sp, sp, 8    # 释放栈空间（弹栈）
  

• 栈帧结构：
  
  Text Only

  | 保存的 s1  |
  | 保存的 s0  | ← sp
  

寄存器用途与保存规则¶

寄存器分类¶

保存责任¶

• Caller-Saved：临时寄存器和参数寄存器（如 t0-t6, a0-a7）。
• Callee-Saved：被保存寄存器（如 s0-s11）和 sp。

关键代码示例¶

条件分支示例¶

# if (a == b) e = c + d; else e = c - d;
bne x10, x11, else
add x14, x12, x13
j done
else: sub x14, x12, x13
done:

循环示例¶

# for (i=0; i<20; i++) sum += A[i]
add x10, x0, x0      # sum = 0
add x11, x0, x0      # i = 0
loop:
    bge x11, x13, Done
    lw x12, 0(x9)    # 加载 A[i]
    add x10, x10, x12
    addi x9, x9, 4   # 移动数组指针
    addi x11, x11, 1 # i++
    j loop
Done:

函数调用示例¶

# 调用函数 bar(g, h, i, j)
addi sp, sp, -4
sw ra, 0(sp)         # 保存返回地址
add a0, s0, x0       # 参数传递
jal ra, bar
lw ra, 0(sp)         # 恢复返回地址
addi sp, sp, 4
jr ra                # 返回

关键概念¶

1. 程序计数器（PC）：
   - 每条指令执行后自动递增 PC += 4（32位指令）。
   - 跳转指令直接修改 PC。
2. 伪指令实现：
   - j Label → jal x0, Label
   - ret → jalr x0, ra, 0
3. 内存布局：
   
   Text Only

   高地址 → Stack
          ↓
          Dynamic Data
          Static Data
          Text (代码段)
   低地址 → Reserved