RISCV操作系统-CH05-RISC-V-汇编

Posted Apr 13, 2025 Updated Apr 19, 2025

By Delusion

42 min read

第5章 RISC-V 汇编语言编程

参考文献

The RISC-V Instruction Set Manual, Volume I: Unprivileged ISA, Document Version 20191213
Using as: https://sourceware.org/binutils/docs/as/
How to Use Inline Assembly Language in C Code: https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Using-Assembly-Language-with-C.html

RISC-V 汇编语言入门

汇编语言概念简介

汇编语言（Assembly Language）是一种”低级”语言，具有以下特点：

缺点：
- 难读：指令和寄存器操作抽象层次低，不如高级语言直观
- 难写：需要手动管理寄存器和内存，没有自动内存管理
- 难移植：特定于处理器架构，无法跨平台运行
优点：
- 灵活：可以直接控制硬件资源和指令执行
- 强大：能够实现高性能和底层控制
应用场景：
- 需要直接访问底层硬件的地方（如操作系统内核、设备驱动）
- 需要对性能执行极致优化的地方（如高性能计算、实时系统）
- 资源受限的嵌入式系统

汇编语言语法介绍（GNU 版本）

.s, .S都是汇编文件的后缀。区别是S包含宏的汇编文件，需要预处理。

一个完整的 RISC-V 汇编程序由多条语句（statement）组成。

一条典型的 RISC-V 汇编语句由 3 部分组成：

[label:] [operation] [comment]

label（标号）: GNU汇编中，任何以冒号结尾的标识符都被认为是一个标号。标号用于标记代码位置，供跳转指令引用。
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字符串，如add、lw等
- 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)，如li（load immediate）实际会被转换为lui和addi的组合
- 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，如.text、.data等
- macro: 采用 .macro/.endm 自定义的宏，类似于C语言中的宏定义
comment（注释）: 常用方式，”#” 开始到当前行结束。用于解释代码的用途和工作原理。

RISC-V 汇编指令总览

RISC-V 汇编指令操作对象

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（硬件线程）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
每个寄存器在RISC-V 32位架构中都是32位宽度（RV32I）
特殊寄存器x0始终保持值为0，无论写入什么值

重要的寄存器命名约定（ABI名称）：

x0: zero - 永远返回0
x1: ra - 返回地址（函数调用返回点）
x2: sp - 栈指针（指向栈顶）
x5-x7, x28-x31: t0-t6 - 临时寄存器
x8-x9, x18-x27: s0-s11 - 保存寄存器
x10-x11: a0-a1 - 函数参数/返回值
x12-x17: a2-a7 - 函数参数

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（4GB）的内存空间
内存访问必须通过加载（load）和存储（store）指令实现，没有直接操作内存的算术指令

RISC-V 汇编指令编码格式

指令长度：ILEN1 = 32 bits (RV32I)
指令对齐：IALIGN = 32 bits (RV32I)，即所有指令必须在4字节边界上对齐
32 个 bit 划分成不同的 “域（field）”，用于指定操作码、寄存器、立即数等
funct3/funct7 和 opcode 一起决定最终的指令类型
指令在内存中按照小端序排列，即低字节存储在低地址

小端序的概念

主机字节序（HBO - Host Byte Order）指一个多字节整数在计算机内存中存储的字节顺序
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）
大端序：数据的高位字节存放在内存的低地址，更符合人类的阅读习惯
小端序：数据的低位字节存放在内存的低地址，RISC-V采用此方式

示例：存储32位整数0x12345678

大端序：内存地址递增方向 [12][34][56][78]
小端序：内存地址递增方向 [78][56][34][12]

RISC-V 汇编指令编码格式

RISC-V 指令格式有 6 种：

指令格式	说明	典型用途
R-type	Register 格式，每条指令中有三个 fields，用于指定 3 个寄存器参数	寄存器间运算，如add、sub
I-type	Immediate 格式，每条指令除了带有两个寄存器参数外，还带有一个立即数参数（宽度为 12 bits）	立即数运算和加载操作，如addi、lw
S-type	Store 格式，每条指令除了带有两个寄存器参数外，还带有一个立即数参数（宽度为 12 bits，但 fields 的组织方式不同于 I-type）	存储指令，如sw、sb
B-type	Branch 格式，每条指令除了带有两个寄存器参数外，还带有一个立即数参数（宽度为 12 bits，但取值为 2 的倍数）	条件分支，如beq、bne
U-type	Upper 格式，每条指令含有一个寄存器参数再加上一个立即数参数（宽度为 20 bits，用于表示一个立即数的高 20 位）	加载高位立即数，如lui、auipc
J-type	Jump 格式，每条指令含有一个寄存器参数再加上一个立即数参数（宽度为 20 bits）	无条件跳转，如jal

RISC-V 汇编指令分类

RISC-V 指令可以分为以下几类：

算术运算指令（如 ADD, SUB, ADDI 等）：执行加减运算
逻辑运算指令（如 XOR, OR, AND 等）：执行位操作
移位运算指令（如 SLL, SRL, SRA 等）：执行位的左移和右移操作
内存读写指令（如 LB, LW, SB, SW 等）：在内存和寄存器之间传输数据
分支与跳转指令（如 BEQ, BNE, JAL 等）：控制执行流程

注：部分指令因篇幅原因未列出，如 Compare/Synch/Change Level 指令等。

RISC-V 汇编伪指令一览

伪指令是为了提高编程效率，由汇编器转换成一条或多条实际指令的指令。RISC-V 常用伪指令包括：

伪指令	等价指令	含义	示例使用
LI RD, IMM	LUI 和 ADDI 的组合	将立即数 IMM 加载到 RD 中	`li x5, 1000` 将数值1000加载到x5
LA RD, LABEL	AUIPC 和 ADDI 的组合	为 RD 加载一个地址值	`la x5, data_start` 加载标签地址到x5
NEG RD, RS	SUB RD, x0, RS	对 RS 中的值取反并将结果存放在 RD 中	`neg x5, x6` 等价于 x5 = -x6
MV RD, RS	ADDI RD, RS, 0	将 RS 中的值拷贝到 RD 中	`mv x5, x6` 将x6的值复制到x5
NOP	ADDI x0, x0, 0	什么也不做	`nop` 空操作，常用于延时或对齐

RISC-V 汇编指令详解

算术运算指令

ADD 指令

ADD RD, RS1, RS2

格式：R-type
功能：RD = RS1 + RS2，将两个寄存器中的值相加，结果放入目标寄存器
示例：add x5, x6, x7 执行后 x5 = x6 + x7
- 如果x6=10，x7=20，执行后x5=30

SUB 指令

SUB RD, RS1, RS2

格式：R-type
功能：RD = RS1 - RS2，用第一个源寄存器的值减去第二个源寄存器的值，结果放入目标寄存器
示例：sub x5, x6, x7 执行后 x5 = x6 - x7
- 如果x6=30，x7=12，执行后x5=18

ADDI 指令

ADDI RD, RS1, IMM

格式：I-type
功能：RD = RS1 + IMM，将寄存器中的值与立即数相加，结果放入目标寄存器
示例：addi x5, x6, 1 执行后 x5 = x6 + 1
- 如果x6=15，执行后x5=16
注意：IMM 是 12 位有符号数，范围 [-2048, 2047]，在运算前会进行符号扩展

LUI 指令（Load Upper Immediate）

LUI RD, IMM

格式：U-type
功能：将 20 位立即数左移 12 位（低 12 位置零）后写入 RD，即 RD = IMM « 12
示例：lui x5, 0x12345 执行后 x5 = 0x12345000
用途：用于构建32位常数的高20位部分

AUIPC 指令（Add Upper Immediate to PC）

AUIPC RD, IMM

格式：U-type
功能：将 20 位立即数左移 12 位后与 PC 值相加，结果存入 RD，即 RD = PC + (IMM « 12)
示例：auipc x5, 0x12345 执行后 x5 = 0x12345000 + PC
用途：用于创建PC相对地址，适合位置无关代码

基于算术运算指令实现的伪指令

伪指令	等价指令	功能	示例与解释
LI RD, IMM	LUI+ADDI 组合	将任意 32 位立即数加载到寄存器	`li x5, 0x12345678`：如果立即数较大，会被拆分为加载高20位和低12位两步操作
MV RD, RS	ADDI RD, RS, 0	寄存器间的值拷贝	`mv x5, x6`：将x6的值复制到x5
NEG RD, RS	SUB RD, x0, RS	对值取反	`neg x5, x6`：x5 = -x6，即x5 = 0 - x6
NOP	ADDI x0, x0, 0	空操作	`nop`：什么都不做，但占用一个指令周期

逻辑运算指令

RISC-V 提供了以下逻辑运算指令：

指令	格式	功能	示例与解释
AND	R-type	按位与：RD = RS1 & RS2	`and x5, x6, x7`：x5中每个位是x6和x7对应位的逻辑与结果例如，若x6=0b1010，x7=0b1100，则结果x5=0b1000
OR	R-type	按位或：RD = RS1 \| RS2	`or x5, x6, x7`：x5中每个位是x6和x7对应位的逻辑或结果例如，若x6=0b1010，x7=0b1100，则结果x5=0b1110
XOR	R-type	按位异或：RD = RS1 ^ RS2	`xor x5, x6, x7`：x5中每个位是x6和x7对应位的异或结果例如，若x6=0b1010，x7=0b1100，则结果x5=0b0110
ANDI	I-type	立即数按位与：RD = RS1 & IMM	`andi x5, x6, 20`：x5 = x6 & 20 例如，若x6=0b11111，则结果x5=0b10100 (20的二进制)
ORI	I-type	立即数按位或：RD = RS1 \| IMM	`ori x5, x6, 20`：x5 = x6 \| 20 例如，若x6=0b01001，则结果x5=0b11101
XORI	I-type	立即数按位异或：RD = RS1 ^ IMM	`xori x5, x6, 20`：x5 = x6 ^ 20 例如，若x6=0b11011，则结果x5=0b01111

基于逻辑运算的伪指令：

伪指令	等价指令	功能	示例与解释
NOT	XORI RD, RS, -1	按位取反：RD = ~RS	`not x5, x6`：对x6的每一位取反，存入x5 例如，若x6=0b10101010，则结果x5=0b01010101

移位运算指令

RISC-V 提供以下移位运算指令：

逻辑移位

指令	格式	功能	示例与解释
SLL	R-type	逻辑左移：RD = RS1 « RS2（低位补0）	`sll x5, x6, x7`：将x6左移x7位，结果存入x5 例如，若x6=5（0b101），x7=2，则结果x5=20（0b10100）
SRL	R-type	逻辑右移：RD = RS1 » RS2（高位补0）	`srl x5, x6, x7`：将x6右移x7位，结果存入x5 例如，若x6=20（0b10100），x7=2，则结果x5=5（0b101）
SLLI	I-type	立即数逻辑左移：RD = RS1 « IMM	`slli x5, x6, 3`：将x6左移3位，结果存入x5 例如，若x6=2，则结果x5=16（2 * 2^3）
SRLI	I-type	立即数逻辑右移：RD = RS1 » IMM	`srli x5, x6, 3`：将x6右移3位，结果存入x5 例如，若x6=40，则结果x5=5（40 / 2^3）

算术移位

指令	格式	功能	示例与解释
SRA	R-type	算术右移：RD = RS1 » RS2（保持符号位，高位补符号位）	`sra x5, x6, x7`：将x6算术右移x7位，结果存入x5 例如，若x6=-16（0xFFFFFFF0），x7=2，则结果x5=-4（0xFFFFFFFC）
SRAI	I-type	立即数算术右移：RD = RS1 » IMM（保持符号位）	`srai x5, x6, 3`：将x6算术右移3位，结果存入x5 例如，若x6=-40，则结果x5=-5（-40 / 2^3）

注意：

逻辑移位时补充的位为 0，无论原操作数是正数还是负数

算术右移时按照符号位值补足，保持数值的符号

没有算术左移指令，因为逻辑左移就可以实现等效功能（左移总是在低位补0）

移位常用于乘除2的幂：左移一位相当于乘2，右移一位相当于除2

内存读写指令

内存读（Load）指令

指令	格式	功能	示例与解释
LB	I-type	从内存加载有符号字节到寄存器：RD = SignExt(MEM[RS1+offset])	`lb x5, 40(x6)`：从地址x6+40读取一个字节，进行符号扩展后存入x5 例如，若内存中为0xFF，则x5=0xFFFFFFFF（-1）
LBU	I-type	从内存加载无符号字节到寄存器：RD = ZeroExt(MEM[RS1+offset])	`lbu x5, 40(x6)`：从地址x6+40读取一个字节，进行零扩展后存入x5 例如，若内存中为0xFF，则x5=0x000000FF（255）
LH	I-type	从内存加载有符号半字（16位）到寄存器：RD = SignExt(MEM[RS1+offset])	`lh x5, 40(x6)`：从地址x6+40读取两个字节，进行符号扩展后存入x5 例如，若内存中为0xFFFF，则x5=0xFFFFFFFF（-1）
LHU	I-type	从内存加载无符号半字（16位）到寄存器：RD = ZeroExt(MEM[RS1+offset])	`lhu x5, 40(x6)`：从地址x6+40读取两个字节，进行零扩展后存入x5 例如，若内存中为0xFFFF，则x5=0x0000FFFF（65535）
LW	I-type	从内存加载字（32位）到寄存器：RD = MEM[RS1+offset]	`lw x5, 40(x6)`：从地址x6+40读取四个字节（一个字）存入x5 例如，若地址x6+40处存储值为0x12345678，则x5=0x12345678

内存写（Store）指令

指令	格式	功能	示例与解释
SB	S-type	将寄存器中的字节存储到内存：MEM[RS1+offset] = RS2[7:0]	`sb x5, 40(x6)`：将x5的最低字节存储到地址x6+40 例如，若x5=0x12345678，则地址x6+40处将存储0x78
SH	S-type	将寄存器中的半字存储到内存：MEM[RS1+offset] = RS2[15:0]	`sh x5, 40(x6)`：将x5的最低两个字节存储到地址x6+40 例如，若x5=0x12345678，则地址x6+40处将存储0x5678
SW	S-type	将寄存器中的字存储到内存：MEM[RS1+offset] = RS2	`sw x5, 40(x6)`：将x5的四个字节（一个字）存储到地址x6+40 例如，若x5=0x12345678，则地址x6+40处将存储0x12345678

注意：

Load 指令分为有符号和无符号两种，有符号指令会进行符号扩展，无符号指令进行零扩展

Store 指令不区分有符号和无符号，因为只是简单地复制低位数据

内存地址 = 基址寄存器 + 偏移量，偏移量范围是 [-2048, 2047]

所有内存访问必须对齐，除非处理器支持非对齐访问（LW和SW地址应为4的倍数）

条件分支指令

指令	格式	功能	示例与解释
BEQ	B-type	相等则分支：if (RS1 == RS2) PC += offset	`beq x5, x6, label`：如果x5等于x6，则跳转到label处例如，若x5=10，x6=10，则跳转到label指定的地址
BNE	B-type	不相等则分支：if (RS1 != RS2) PC += offset	`bne x5, x6, label`：如果x5不等于x6，则跳转到label处例如，若x5=10，x6=20，则跳转到label指定的地址
BLT	B-type	小于则分支（有符号）：if (RS1 < RS2) PC += offset	`blt x5, x6, label`：如果x5小于x6（有符号比较），则跳转到label处例如，若x5=-5，x6=10，则跳转到label指定的地址
BLTU	B-type	小于则分支（无符号）：if (RS1 < RS2) PC += offset	`bltu x5, x6, label`：如果x5小于x6（无符号比较），则跳转到label处例如，若x5=0xFFFFFFFF（视为无符号数4294967295），x6=10，则不跳转
BGE	B-type	大于等于则分支（有符号）：if (RS1 >= RS2) PC += offset	`bge x5, x6, label`：如果x5大于等于x6（有符号比较），则跳转到label处例如，若x5=20，x6=10，则跳转到label指定的地址
BGEU	B-type	大于等于则分支（无符号）：if (RS1 >= RS2) PC += offset	`bgeu x5, x6, label`：如果x5大于等于x6（无符号比较），则跳转到label处例如，若x5=10，x6=0xFFFFFFFF（视为无符号数4294967295），则不跳转

条件分支指令的伪指令：

伪指令	等价指令	功能	示例与解释
BEQZ	BEQ RS, x0, offset	等于零则分支：if (RS == 0) PC += offset	`beqz x5, label`：如果x5等于0，则跳转到label处
BNEZ	BNE RS, x0, offset	不等于零则分支：if (RS != 0) PC += offset	`bnez x5, label`：如果x5不等于0，则跳转到label处
BLTZ	BLT RS, x0, offset	小于零则分支：if (RS < 0) PC += offset	`bltz x5, label`：如果x5小于0，则跳转到label处
BLEZ	BGE x0, RS, offset	小于等于零则分支：if (RS <= 0) PC += offset	`blez x5, label`：如果x5小于等于0，则跳转到label处
BGTZ	BLT x0, RS, offset	大于零则分支：if (RS > 0) PC += offset	`bgtz x5, label`：如果x5大于0，则跳转到label处
BGEZ	BGE RS, x0, offset	大于等于零则分支：if (RS >= 0) PC += offset	`bgez x5, label`：如果x5大于等于0，则跳转到label处

注意：分支指令的目标地址计算方法是将偏移量乘以 2，然后与 PC 相加，跳转范围是 [-4096, 4094] 字节。这是因为B型指令的立即数字段实际只有12位，且指令总是对齐到2字节，所以最低位总是0，不需要存储。

无条件跳转指令

JAL（Jump And Link）

JAL RD, label

格式：J-type
功能：将当前 PC+4 存入 RD（通常是 x1/ra），然后跳转到目标地址 PC + offset
示例：jal x1, function 调用函数，将返回地址存入x1，跳转到function标签处
- 假设当前PC=0x1000，function位于0x1500，则执行后x1=0x1004，PC=0x1500
跳转范围：以 PC 为基准，±1MB（因为J型指令的立即数字段有20位，左移1位后可表示±2^20字节）

JALR（Jump And Link Register）

JALR RD, offset(RS1)

格式：I-type
详细操作：将当前 PC+4 存入 RD，然后跳转到 RS1+offset 的地址，即 RD = PC+4; PC = (RS1 + offset) & ~1
示例：jalr x1, 0(x5) 通过寄存器间接跳转，将返回地址存入x1，跳转到x5的值指向的地址
- 假设当前PC=0x1000，x5=0x1500，则执行后x1=0x1004，PC=0x1500
跳转范围：以 RS1 为基准，±2KB（因为I型指令的立即数字段有12位，可表示±2^11字节）
用途：实现函数返回、间接跳转和计算地址的跳转

无条件跳转指令的伪指令：

伪指令	等价指令	功能	示例与解释
J	JAL x0, offset	无返回跳转：PC += offset	`j label`：无条件跳转到label处，不保存返回地址相当于`jal x0, label`，因为x0寄存器忽略写入
JR	JALR x0, 0(rs)	无返回寄存器跳转：PC = rs	`jr x5`：无条件跳转到x5寄存器存储的地址，不保存返回地址相当于`jalr x0, 0(x5)`
RET	JALR x0, 0(x1)	函数返回：PC = x1	`ret`：从函数返回，跳转到x1（返回地址）寄存器存储的地址相当于`jalr x0, 0(x1)`
CALL	AUIPC+JALR组合	长距离调用：保存返回地址并跳转到目标	`call function`：调用远距离函数被汇编为AUIPC+JALR序列，可调用±2GB范围内的函数
TAIL	AUIPC+JALR组合	长距离尾调用：不保存返回地址，直接跳转到目标	`tail function`：尾调用远距离函数类似call，但不保存返回地址，实现尾递归优化

注意：

长距离跳转可以使用 AUIPC+JALR 组合实现，克服了单条指令跳转范围的限制

尾调用是一种优化技术，用于减少函数调用的栈开销。当一个函数的最后操作是调用另一个函数时，可以直接跳转而不创建新的栈帧

JAL与JALR的主要区别：JAL使用PC相对寻址，JALR使用寄存器值作为基址

RISC-V 指令寻址模式总结

寻址模式	解释	典型指令示例	具体解释
立即数寻址	操作数是指令本身的一部分	addi x5, x6, 20	操作数20直接包含在指令中
寄存器寻址	操作数存放在寄存器中	add x5, x6, x7	操作数来自寄存器x6和x7
基址寻址	地址 = 基址寄存器 + 偏移量	lw x5, 40(x6)	内存地址为x6+40，加载该地址的值到x5
PC 相对寻址	地址 = PC + 偏移量	beq x5, x6, label	如果条件满足，跳转到PC+偏移量处

RISC-V 汇编函数调用约定

函数调用过程概述

函数调用涉及栈操作，包括：

栈的操作：
- 压栈（Push）：将数据保存到栈上，栈指针减小（RISC-V栈是向下生长的）
- 出栈（Pop）：从栈上取回数据，栈指针增大
- RISC-V中通常使用addi sp, sp, -16来为栈分配16字节空间，然后用sw存储数据
栈帧：
- 每个函数调用都有自己的栈帧（Stack Frame）
- 栈帧包含返回地址、保存的寄存器、局部变量等
- 栈帧通常由栈指针（sp/x2）和帧指针（fp/s0/x8）界定

函数调用过程示例：

# 调用者函数
save_registers:    # 保存调用者保存的寄存器
    addi sp, sp, -16
    sw ra, 12(sp)  # 保存返回地址
    sw t0, 8(sp)   # 保存临时寄存器
    sw t1, 4(sp)   # 保存临时寄存器
    
call_function:
    jal ra, function  # 调用函数
    
restore_registers:  # 恢复调用者保存的寄存器
    lw t1, 4(sp)
    lw t0, 8(sp)
    lw ra, 12(sp)
    addi sp, sp, 16
    ret

汇编编程时为何需要制定函数调用约定

函数调用约定（Calling Conventions）规定了函数间如何传递以下信息：

调用参数：规定参数如何传递（通过寄存器或栈）
- RISC-V使用a0-a7（x10-x17）寄存器传递前8个参数
- 更多参数则通过栈传递
返回地址：规定如何保存和恢复返回地址
- RISC-V使用ra（x1）寄存器保存返回地址
返回值：规定如何传递函数返回值
- RISC-V使用a0-a1（x10-x11）寄存器传递返回值
寄存器使用：规定寄存器的保存责任
- 一些寄存器由调用者保存，另一些由被调用者保存

制定函数调用约定的原因：

确保互操作性：不同编译器或汇编程序员编写的函数可以互相调用
优化执行效率：明确责任，避免不必要的寄存器保存
简化调试：可预测的行为使调试更容易

函数调用过程中有关寄存器的编程约定

寄存器名	ABI 名	用途约定	保存责任	保存说明
x0	zero	读取时总为 0，写入时不起任何效果	N/A	不需要保存
x1	ra	存放函数返回地址	调用者	在调用前保存，如果被调用函数会调用其他函数
x2	sp	栈指针	被调用者	被调用者必须恢复栈指针到调用前的状态
x3	gp	全局指针	N/A	通常不变
x4	tp	线程指针	N/A	通常不变
x5-x7, x28-x31	t0-t6	临时寄存器，可能被被调用函数修改	调用者	如需保持值，调用者必须在调用前保存
x8-x9, x18-x27	s0-s11	保存寄存器，被调用函数必须保证不变	被调用者	被调用函数必须在返回前恢复原值
x10-x11	a0-a1	参数/返回值寄存器	调用者	用于传递前两个参数和返回值
x12-x17	a2-a7	参数寄存器	调用者	用于传递第3-8个参数

注意：

“调用者保存”意味着如果调用者需要这些寄存器的值在调用后保持不变，必须自己负责保存（通常压入栈中）

“被调用者保存”意味着被调用函数必须保证这些寄存器的值在返回时与调用前相同（如修改了，必须先保存再恢复）

s0（x8）通常也用作帧指针（fp），指向当前栈帧的底部

函数调用过程中函数跳转和返回指令的编程约定

伪指令	等价指令	描述	实际操作
jal	jal x1, offset	跳转到 offset，返回地址保存在 x1	将PC+4存入x1，然后PC += offset
jalr	jalr x1, 0(rs)	跳转到 rs 寄存器值，返回地址保存在 x1	将PC+4存入x1，然后PC = rs + 0
call	auipc + jalr 组合	长距离调用函数	保存返回地址并跳转到任意32位地址
ret	jalr x0, 0(x1)	从函数返回	跳转到x1寄存器中存储的返回地址

函数调用示例：

# 调用近距离函数
jal ra, function  # ra寄存器（x1）保存PC+4作为返回地址

# 调用远距离函数
call far_function

# 函数返回
ret  # 跳转到ra寄存器（x1）中的地址

函数调用过程中实现被调用函数的编程约定

函数实现通常包含以下部分：

函数起始部分（Prologue）：

减少 sp 的值，为函数的栈帧分配空间
将需要保存的寄存器（如 s0-s11，ra）存入栈中

示例：

  function:    addi sp, sp, -16     # 分配16字节栈空间    sw ra, 12(sp)        # 保存返回地址    sw s0, 8(sp)         # 保存s0（帧指针）    addi s0, sp, 16      # 设置帧指针

函数执行体：
- 函数的主要计算逻辑
- 使用传入的参数（a0-a7寄存器）
- 准备返回值（a0-a1寄存器）

函数退出部分（Epilogue）：

从栈中恢复保存的寄存器
如果保存了 ra，需要恢复
增加 sp 的值，释放栈帧
使用 ret 指令返回

示例：

  function_end:    lw s0, 8(sp)         # 恢复s0    lw ra, 12(sp)        # 恢复返回地址    addi sp, sp, 16      # 释放栈空间    ret                  # 返回到调用点

完整函数示例：

# 计算两数之和的函数
add_numbers:
    # Prologue
    addi sp, sp, -8        # 分配栈空间
    sw s0, 4(sp)           # 保存s0
    sw ra, 0(sp)           # 保存返回地址
    
    # 函数主体（计算a0和a1的和）
    add a0, a0, a1         # 结果放在a0中作为返回值
    
    # Epilogue
    lw ra, 0(sp)           # 恢复返回地址
    lw s0, 4(sp)           # 恢复s0
    addi sp, sp, 8         # 释放栈空间
    ret                    # 返回

RISC-V 汇编与 C 混合编程

RISC-V 汇编调用 C 函数

要从汇编代码调用 C 函数，需要遵循 ABI（Application Binary Interface）规定：

参数传递：使用 a0-a7 寄存器传递前 8 个参数，更多参数使用栈
返回值：使用 a0-a1 寄存器传递返回值
其他：遵循调用者/被调用者保存的寄存器约定
栈对齐：确保调用前栈指针16字节对齐

汇编调用C函数示例：

# 从汇编调用C函数 int add(int a, int b)
.global main
main:
    # 函数prologue
    addi sp, sp, -16
    sw ra, 12(sp)
    sw s0, 8(sp)
    addi s0, sp, 16
    
    # 准备参数并调用函数
    li a0, 10          # 第一个参数：10
    li a1, 20          # 第二个参数：20
    call add           # 调用add函数
    
    # 现在a0包含返回值
    mv s1, a0          # 保存返回值到s1
    
    # 函数epilogue
    lw s0, 8(sp)
    lw ra, 12(sp)
    addi sp, sp, 16
    ret

C 函数中嵌入 RISC-V 汇编

GCC 允许在 C 代码中内嵌汇编代码，使用 asm 关键字：

        
      
asm [volatile] (
    "汇编指令"
    : 输出操作数列表（可选）
    : 输入操作数列表（可选）
    : 可能影响的寄存器或者存储器（可选）
);

内联汇编参数说明：

volatile：防止编译器优化，确保汇编代码按指定顺序执行
输出操作数：用”=r”表示输出到寄存器，”=m”表示输出到内存
输入操作数：用”r”表示寄存器输入，”m”表示内存输入，”i”表示立即数
可能影响的寄存器：告知编译器哪些寄存器或内存可能被修改，用于优化

例如：

        
      
int foo(int a, int b)
{
    int c;
    asm volatile (
        "add %0, %1, %2" 
        : "=r" (c)       // 输出操作数
        : "r" (a), "r" (b) // 输入操作数
    );
    return c;
}

或者使用命名操作数：

        
      
int foo(int a, int b)
{
    int c;
    asm volatile (
        "add %[sum], %[add1], %[add2]" 
        : [sum] "=r" (c)
        : [add1] "r" (a), [add2] "r" (b)
    );
    return c;
}

更复杂的内联汇编示例：

        
      
// 计算两数乘积
long multiply(long a, long b)
{
    long result;
    asm volatile (
        "mul %[res], %[a_val], %[b_val]"
        : [res] "=r" (result)
        : [a_val] "r" (a), [b_val] "r" (b)
        : // 无其他寄存器被修改
    );
    return result;
}

// 带有多条指令的内联汇编
int complex_calc(int a, int b, int c)
{
    int result;
    asm volatile (
        "add t0, %[a_val], %[b_val]\n\t"  // 将a与b相加，存入临时寄存器t0
        "sub %[res], t0, %[c_val]"        // 将t0减去c，存入结果
        : [res] "=r" (result)
        : [a_val] "r" (a), [b_val] "r" (b), [c_val] "r" (c)
        : "t0"  // 告知编译器t0寄存器被修改
    );
    return result;
}

注意：

汇编指令用双引号括起来，多条指令用分号或换行符分隔

“=r” 表示输出寄存器，”r” 表示输入寄存器

汇编代码中的 %0, %1, %2… 或者 %[name] 代表操作数

volatile 关键字告诉编译器不要优化此汇编语句

在多条指令之间，应使用 “\n\t” 作为分隔符，以确保汇编代码格式正确

OpenCourse, EulixOS

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第5章 RISC-V 汇编语言编程

目录

参考文献

RISC-V 汇编语言入门

汇编语言概念简介

汇编语言语法介绍（GNU 版本）

RISC-V 汇编指令总览

RISC-V 汇编指令操作对象

寄存器

内存

RISC-V 汇编指令编码格式

小端序的概念

RISC-V 汇编指令编码格式

RISC-V 汇编指令分类

RISC-V 汇编伪指令一览

RISC-V 汇编指令详解

算术运算指令

ADD 指令

SUB 指令

ADDI 指令

LUI 指令（Load Upper Immediate）

AUIPC 指令（Add Upper Immediate to PC）

基于算术运算指令实现的伪指令

逻辑运算指令

移位运算指令

逻辑移位

算术移位

内存读写指令

内存读（Load）指令

内存写（Store）指令

条件分支指令

无条件跳转指令

JAL（Jump And Link）

JALR（Jump And Link Register）

RISC-V 指令寻址模式总结

RISC-V 汇编函数调用约定

函数调用过程概述

汇编编程时为何需要制定函数调用约定

函数调用过程中有关寄存器的编程约定

函数调用过程中函数跳转和返回指令的编程约定

函数调用过程中实现被调用函数的编程约定

RISC-V 汇编与 C 混合编程

RISC-V 汇编调用 C 函数

C 函数中嵌入 RISC-V 汇编

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