RISC-V 汇编语言分析

RISC-V 汇编语言分析

 3.1 导言

图 3.1 表明了从 C 程序翻译成为可以在计算机上执行的机器语言程序的四个经典步骤。 这一章的内容包括了后三个步骤，不过要从汇编语言在 RISC-V 函数调用规范中的作用 开始说起。

图 3.1 从 C 源代码翻译为可运行程序的步骤。这是从逻辑上进行的划分，实际中一些步骤会被结合起 来，加速翻译过程。在这里使用了 Unix 的文件后缀命名习惯，分别对应 MS-DOS 中 的.C, .ASM, .OBJ, .LIB 和.EXE。

3.2 函数调用规范（Calling convention） 函数调用过程通常分为 6 个阶段。

1. 将参数存储到函数能够访问到的位置；

2. 跳转到函数开始位置（使用 RV32I 的 jal 指令）；

3. 获取函数需要的局部存储资源，按需保存寄存器；

4. 执行函数中的指令；

5. 将返回值存储到调用者能够访问到的位置，恢复寄存器，释放局部存储资源；

6. 返回调用函数的位置（使用 ret 指令）。 为了获得良好的性能，变量应该尽量存放在寄存器而不是内存中，但同时也要注意避免 频繁地保存和恢复寄存器，因为它们同样会访问内存。 RISC-V 有足够多的寄存器来达到两全其美的结果：既能将操作数存放在寄存器中，同 时也能减少保存和恢复寄存器的次数。其中的关键在于，在函数调用的过程中不保留部分寄 存器存储的值，称它们为临时寄存器；另一些寄存器则对应地称为保存寄存器。不再调用其 它函数的函数称为叶函数。当一个叶函数只有少量的参数和局部变量时，它们可以都被存储 在寄存器中，而不会“溢出（spilling）”到内存中。但如果函数参数和局部变量很多，程序 还是需要把寄存器的值保存在内存中，不过这种情况并不多见。

函数调用中其它的寄存器，要么被当做保存寄存器来使用，在函数调用前后值不变；要 么被当做临时寄存器使用，在函数调用中不保留。函数会更改用来保存返回值的寄存器，因 此它们和临时寄存器类似；用来给函数传递参数的寄存器也不需要保留，因此它们也类似于 临时寄存器。对于其它一些寄存器，调用者需要保证它们在函数调用前后保持不变：比如用 于存储返回地址的寄存器和存储栈指针的寄存器。图 3.2 列出了寄存器的 RISC-V 应用程序 二进制接口（ABI）名称和它们在函数调用中是否保留的规定。

图 3.2 RISC-V 整数和浮点寄存器的汇编助记符。RISC-V 有足够的寄存器，如果过程或方法不产生其它 调用，就可以自由使用由 ABI 分配的寄存器，不需要保存和恢复。调用前后不变的寄存器也称为“由调 用者保存的寄存器”，反之则称为“由被调用者保存的寄存器”。

根据 ABI 规范，来看看标准的 RV32I 函数入口和出口。下面是函数的开头：

如果参数和局部变量太多，在寄存器中存不下，函数的开头会在栈中为函数帧分配空间， 来存放。当一个函数的功能完成后，它的结尾部分释放栈帧并返回调用点：

很快将会看到使用这套 ABI 的一个例子，但首先需要对汇编的其它部分进行 一些解释。

3.3 汇编器

在 Unix 系统中，这一步的输入是以.s 为后缀的文件，比如 foo.s；在 MS-DOS 中则 是.ASM。 图 3.1 中的汇编器的作用不仅仅是从处理器能够理解的指令产生目标代码，还能翻译一 些扩展指令，这些指令对汇编程序员或者编译器的编写者来说通常很有用。这类指令在巧妙 配置常规指令的基础上实现，称为伪指令。图 3.3 和 3.4 列出了 RISC-V 伪指令，前者中要 求 x0 寄存器始终为 0，后者中则没有这种要求。例如，之前提到的 ret 实际上是一个伪指令， 汇编器会用 jalr x0, x1, 0 来替换它（见图 3.3）。大多数的 RISC-V 伪指令依赖于 x0。因此， 把一个寄存器硬编码为 0 便于将许多常用指令——如跳转（jump）、返回（return）、等于 0 时转移（branch on equal to zero）——作为伪指令，进而简化 RISC-V 指令集。

图 3.5 为经典的 C 程序 Hello World，编译器产生的汇编指令如图 3.6，其中使用了图 3.2 的调用规范和图 3.3、3.4 的伪指令。 汇编程序的开头是一些汇编指示符（assemble directives）。它们是汇编器的命令，具有 告诉汇编器代码和数据的位置、指定程序中使用的特定代码和数据常量等作用。

图 3.9 是 RISC-V 的汇编指示符。其中图 3.6 中用到的指示符有：

⚫ .text：进入代码段。

⚫ .align 2：后续代码按 22 字节对齐。

⚫ .globl main：声明全局符号“main”。

⚫ .section .rodata：进入只读数据段

⚫ .balign 4：数据段按 4 字节对齐。

⚫ .string “Hello, %s!\n”：创建空字符结尾的字符串。

⚫ .string “world”：创建空字符结尾的字符串。 汇编器产生如图 3.7 的目标文件，格式为标准的可执行可链接文件（ELF）格式。 按需恢复其它寄存器 恢复返回地址 释放栈帧空间 返回调用点 Hello World 程序通常 是一个新设计处理器 上运行的第一个程序。 设计者通常把能运行 操作系统并成功打印 出“Hello World”作为 新的芯片能工作的标志。

补充说明：保存寄存器和临时寄存器为什么不是连续编号的？ 为了支持 RV32E——一个只有 16 个寄存器的嵌入式版本的 RISC-V（参见第 11 章），只使 用寄存器 x0 到 x15——一部分保存寄存器和一部分临时寄存器都在这个范围内。其它的保 存寄存器和临时寄存器在剩余 16 个寄存器内。RV32E 较小，但由于和 RV32I 不匹配，目前 还没有编译器支持。

图 3.3 依赖于 x0 的 RISC-V 伪指令。附录 A 包含了这些 RISC-V 的伪指令和真实指令。在 RV32I 中，那 些读取 64 位计数器的指令默认读取低 32 位，增加“h”时读取高 32 位。

图 3.4 不依赖于 x0 寄存器的 RISC-V 伪指令。在 la 指令一栏，GOT 代表全局偏移表（Global Offset Table），记录动态链接库中的符号的运行时地址。附录 A 包含了这些 RISC-V 的伪指令和真实指令。

图 3.5 C 语言的 Hello World 程序（hello.c）。

 图 3.6 RISC-V 汇编语言的 Hello World 程序（hello.s）。

图 3.7 RISC-V 机器语言的 Hello World 程序（hello.o）。位置 8 到 1c 这六条指令的地址字段为 0，将在后 面由链接器填充。目标文件的符号表记录了链接器所需的标签和地址。

3.4 链接器 链接器允许各个文件独立地进行编译和汇编，这样在改动部分文件时，不需要重新编译 全部源代码。链接器把新的目标代码和已经存在的机器语言模块（如函数库）等“拼接”起 来。链接器这个名字源于它的功能之一，即编辑所有对象文件的跳转并链接指令（jump and link）中的链接部分。它其实是链接编辑器（link editor）的简称，图 3.1 中的这一步骤过去 就被称为链接编辑。在 Unix 系统中，链接器的输入文件有.o 后缀，输出 a.out 文件；在 MSDOS 中输入文件后缀为.OBJ 或.LIB，输出.EXE 文件。 图 3.10 展示了一个典型的 RISC-V 程序分配给代码和数据的内存区域，链接器需要调 整对象文件的指令中程序和数据的地址，使之与图中地址相符。如果输入文件中的是与位置 无关的代码（PIC），链接器的工作量会有所降低。PIC 中所有的指令转移和文件内的数据访问都不受代码位置的影响。如第 2 章所言，RV32I 的相对转移（PC-relative branch）特性使 得程序更易于实现 PIC。 除了指令，每个目标文件还包含一个符号表，存储了程序中标签，由链接过程确定地址。 其中包括了数据标签和代码标签。图 3.6 中有两个数据标签（string1 和 string2）和两个代 码标签（main 和 printf）需要确定。由于在单个 32 位指令中很难指定一个 32 位的地址， RV32I 的链接器通常需要为每个标签调整两条指令。如图 3.6 所示：数据标签需要调整 lui 和 addi，代码标签需要调整 auipc 和 jalr。图 3.8 显示了图 3.7 中的目标文件链接后产生的 a.out 文件。

图 3.8 链接后的 RISC-V 机器语言 Hello World 程序。在 Unix 系统中，它的文件名是 a.out。 RISC-V 编译器支持多个 ABI，具体取决于 F 和 D 扩展是否存在。RV32 的 ABI 分别名 为 ilp32，ilp32f 和 ilp32d。ilp32 表示 C 语言的整型（int），长整型（long）和指针（pointer）都是 32 位，可选后缀表示如何传递浮点参数。在 lip32 中，浮点参数在整数寄存器中传递；在 ilp32f 中，单精度浮点参数在浮点寄存器中传递；在 ilp32d 中，双精度浮点参数也在浮点 寄存器中传递。

自然，如果想在浮点寄存中传递浮点参数，需要相应的浮点 ISA 添加 F 或 D 扩展（。因此要编译 RV32I 的代码（GCC 选项-march=rv32i），必须使用 ilp32 ABI（GCC 选项-mabi=lib32）。反过来，调用约定并不要求浮点指令一定要使用浮点寄存器，因此 RV32IFD 与 ilp32，ilp32f 和 ilp32d 都兼容。链接器检查程序的 ABI 是否和库匹配。尽管编译器本身可能支持多种 ABI 和 ISA 扩展 的组合，但机器上可能只安装了特定的几种库。因此，一种常见的错误是在缺少合适的库的 情况下链接程序。在这种情况下，链接器不会直接产生有用的诊断信息，它会尝试进行链接，然后提示不兼容。这种错误常常在从一台计算机上编译另一台计算机上运行的程序（交叉编译）时发生。

补充说明：链接器松弛（linker relaxation） 跳转并链接指令（jump and link）中有 20 位的相对地址域，因此一条指令就足够跳到很远 的位置。尽管编译器为每个外部函数的跳转都生成了两条指令，很多时候其实一条就已经足 够了。从两条指令到一条的优化同时节省了时间和空间开销，因此链接器会扫描几遍代码，尽可能地把两条指令替换为一条。每次替换会导致函数和调用它的位置之间的距离缩短，所 以链接器会多次扫描替换，直到代码不再改变。这个过程称为链接器松弛，名字来源于求解 方程组的松弛技术。除了过程调用之外，对于 gp 指针±2KiB 范围内的数据访问，RISC-V 链 接器也会使用一个全局指针替换掉 lui 和 auipc 两条指令。对 tp 指针±2KiB 范围内的线程 局部变量访问也有类似的处理。

图 3.9 常见 RISC-V 汇编指示符。

图 3.10 RV32I 为程序和数据分配内存。图中的顶部是高地址，底部是低地址。在 RISC-V 软件规范中，栈指针（sp）从 0xbffffff0 开始向下增长；程序代码段从 0x00010000 开始，包括静态链接库；程序代码 段结束后是静态数据区，在这个例子中假设从 0x10000000 开始；然后是动态数据区，由 C 语言中的 malloc()函数分配，向上增长，其中包含动态链接库。

3.5 静态链接和动态链接

上一节对静态链接（static linking）进行了说明，在程序运行前所有的库都进行了链接和 加载。如果这样的库很大，链接一个库到多个程序中会十分占用内存。另外，链接时库是绑 定的，即使它们后来的更新修复了 bug，强制的静态链接的代码仍然会使用旧的、有 bug 的 版本。 为了解决这两个问题，现在的许多系统使用动态链接（dynamic linking），外部的函数在 第一次被调用时才会加载和链接。后续所有调用都使用快速链接（fast linking），因此只会产 生一次动态开销。每次程序开始运行，它都会按照需要链接最新版本的库函数。另外，如果 多个程序使用了同一个动态链接库，库代码在内存中只会加载一次。 编译器产生的代码和静态链接的代码很相似。其不同之处在于，跳转的目标不是实际的 函数，而是一个只有三条指令的存根函数（stub function）。存根函数会从内存中的一个表中 加载实际的函数的地址并跳转。不过，在第一次调用时，表中还没有实际的函数的地址，只 有一个动态链接的过程的地址。当这个动态链接过程被调用时，动态链接器通过符号表找到 实际要调用的函数，复制到内存中，更新记录实际的函数地址的表。后续的每次调用的开销 就是存根函数的三条指令的开销。

3.6 加载器

类似图 3.8 的程序以一个可执行文件的形式存储在计算机的存储设备上。运行时，加载 器的作用是把这个程序加载到内存中，并跳转到它开始的地址。如今的“加载器”就是操作 系统。换句话说，加载 a.out 是操作系统众多的任务之一。 动态链接程序的加载稍微有些复杂。操作系统不直接运行程序，而是运行一个动态链接 器，再由动态链接器开始运行程序，并负责处理所有外部函数的第一次调用，把它们加载到 内存中，并且修改程序，填入正确的调用地址。

汇编器向 RISC-V ISA 中增加了 60 条伪指令，使得 RISC-V 代码更易于读写，并且不增 加硬件开销。将一个寄存器硬编码为 0 使得其中许多伪指令更容易实现。使用加载高位立即 数（lui）和程序计数器与高位立即数相加（auipc）两条指令，简化了编译器和链接器寻找 外部数据/函数的地址的过程。使用相对地址转移的代码与位置无关，减少了链接器的工作。 大量的寄存器减少了寄存器保存和恢复的次数，加速函数调用和返回。 RISC-V 提供了一系列简单又有影响力的机制，降低成本，提高性能，并且使得编写程 序更加容易。

体系结构研究者常用 静态链接的基准程序 来测试处理器，尽管大多数实际的程序都 有动态链接。他们说， 关心性能的用户应该 只使用静态链接，但其实这并不合理，因为加速实际的程序显 然比加速基准程序更有意义。