RISC-V 匯編指令筆記
本文主要作為RISC-V Instruction的一個梳理。
RISC-V Instruction 的格式通常為
Operation code + Destination register + First operand register + Second oprand register
如，add x1, x2, x0 對應的 opcode = add; rd = x1; rs1 = x2; rs2 = x0.
對於RISC-V，有32個寄存器，分別是：
RISC-V寄存器表
| 寄存器 | 調用名字 | 用途 | 存儲者 |
| x0 | zero | 常數0 | N.A. |
| x1 | ra | 返回地址 | Caller |
| x2 | sp | 棧指針 | Callee |
| x3 | gp | 全局指針 | / |
| x4 | tp | 線程指針 | / |
| x5-x7 | t0-t2 | 臨時存儲 | Caller |
| x8 | s0/fp | 保存用寄存器/幀指針（配合棧指針界定一個函數的棧） | Callee |
| x9 | s1 | 保存用寄存器 | Callee |
| x10-x11 | a0-a1 | 函數參數/返回值 | Caller |
| x12-x17 | a2-a7 | 函數參數 | Caller |
| x18-x27 | s2-s11 | 保存用寄存器 | Callee |
| x28-x31 | t3-t6 | 臨時存儲 | Caller |
| f0-f7 | ft0-ft7 | 浮點臨時存儲 | Caller |
| f8-f9 | fs0-fs1 | 浮點保存用寄存器 | Callee |
| f10-f11 | fa0-fa1 | 浮點函數參數/返回值 | Caller |
| f12-f17 | fa2-fa7 | 浮點函數參數 | Caller |
| f18-f27 | fs2-fs11 | 浮點保存用寄存器 | Callee |
| f28-f31 | ft8-ft11 | 浮點臨時存儲 | Caller |
tips: callee:是一個指針，指向擁有這個arguement對象的函數；
caller:保留着調用當前函數的函數的引用。
而RISC-V RV32標准指令集有以下幾種框架：
- R-format for register-register arithmetic/logical operations
- I-format for register-immediate arith/logical operations and loads
- S-format for stores
- B-format for branches
- U-format for 20-bit upper immediate instructions
- J-format for jumps
- Others: Used for OS & Syncronization
R即Reg相關；I即立即數相關；S存儲相關；B分支相關；U高位數相關（因為一條32位指令中無法表示高達32位的數據）；J跳轉相關。
tips: about arithmetic & logical operations.
- 邏輯右移(LSR)是將各位依次右移指定位數，然后在左側補0，算術右移(ASR)是將各位依次右移指定位數，然后在左側用原符號位補齊。
- 邏輯左移與算術左移操作相同。
- RISC-V采用小端格式（Little-Endian），即低位字節排放在內存的低地址端，高位字節排放在內存的高地址端。
R-Format
通常是xxx rd, rs1, rs2。
31 0
| Funct7 | rs2 | rs1 | Funct3 | rd | opcode |
| 7 | 5 | 5 | 3 | 5 | 7 |
Opcode = 0110011
Funct7 + Funct3 + opcode defines what operation to perform.
|
|
Funct7 |
Funct3 |
opcode |
用途 |
| ADD |
0000000 |
000 |
0110011 |
加法 |
| SUB |
0100000 |
000 |
0110011 |
減法 |
| SLL |
0000000 |
001 |
0110011 |
左移 |
| SLT |
0000000 |
010 |
0110011 |
Set Less Than := rs1 < rs2 ? 1:0 |
| SLTU |
0000000 |
011 |
0110011 |
SLT Unsigned |
| XOR |
0000000 |
100 |
0110011 |
異或 |
| SRL |
0000000 |
101 |
0110011 |
邏輯右移 |
| SRA |
0100000 |
101 |
0110011 |
算術右移 |
| OR |
0000000 |
110 |
0110011 |
或 |
| AND |
0000000 |
111 |
0110011 |
與 |
相關偽指令：
mv rd, rs = addi rd, rs, x0
nop = addi r0, r0, x0
not rd, rs = xori rd, rs, 111111111111
Note: 因為某事突然發現RISC-V好像沒有循環移位的指令（未查證），要實現循環移位估計要三條指令以上。
I-Format
Opcode 0010011
| Immediate | rs1 | Funct3 | rd | opcode | |
| 12 | 5 | 3 | 5 | 7 | |
| Shift-by-immediate | rs1 | Funct3 | rd | opcode | |
| 0x00000 | 5 | 5 | 3 | 5 | 7 |
第一部分包括ADDI, SLTI, SLTIU, XORI, ORI, ANDI（立即數有12位）
和SLLI, SRLI, SRAI（立即數僅有5位）。
第二部分包括load instruction，格式同ADDI（12位的立即數）
Load Opcode 0000011
有LB(load byte) ，LH(load halfword=2 bytes)， LW，LBU(load unsigned byte)，LHU(load unsigned halfword)
S-Format
Opcode 0100011
| imm[11:5] | rs2 | rs1 | Funct3 | imm[4:0] | opcode |
| 7 | 5 | 5 | 3 | 5 | 7 |
包括SB，SW，SH
B-Format
Opcode 1100011
| imm[12] | imm[10:5] | rs2 | rs1 | Funct3 | imm[4:1] | imm[11] | opcode |
| 1 | 6 | 5 | 5 | 3 | 4 | 1 | 7 |
可以表示-4096~4094的范圍
Note：The 12 immediate bits encode even 13-bit signed byte offsets (lowest bit of offset is always zero, so no need to store it).
包括BEQ，BNE，BLT(branch less than: if [rs1]<[rs2], then branch) ，BGE(branch greater than or equal: if [rs1]>=[rs2], then branch) ，BLTU，BGEU。
相關偽指令：
beqz x1, label = beq x1, x0, label
bnez x1, label = bne x1, x0, label
U-Format
| imm[31:12] | rd | opcode |
| 20 | 5 | 7 |
LUI – Load Upper Immediate lui rd, upper im(20-bit)
e.x. lui x10, 0x87654 # x10 = original value → 0x87654000
AUIPC – Add Upper Immediate to PC
e.x. auipc t0, 1 # t0 = original value → PC + 0x00001000
auipc t0, 0 # t0 = original value → PC
相關偽指令：
加載立即數
li rd, imm(32-bit) = lui rd, imm(20-bit)
addi rd, rd, imm(12-bit)
加載地址
la rd, label = auipc rd, imm(20-bit)
addi rd, rd, imm(12-bit)
J-Format
| imm[20] | imm[10:1] | imm[11] | imm[19:12] | rd | opcode |
| 1 | 10 | 1 | 8 | 5 | 7 |
jal x0, label Discard return address
jal ra, function_name Call Function within 218 (1 instruction = 22 bytes).
jr ra
# Call function at any 32-bit absolute address
lui x1, <high 20-bit>
jalr ra, x1, <low 12-bit> Call Function at 32-bit absolute address
# Jump PC-relative with 32-bit offset
auipc x1, <high 20-bit>
jalr x0, x1, <low 12-bit> Jump within 32-bit
相關偽指令:
j label = jal x0, label
ret = jr ra = jalr x0, ra, 0
Acknowledgement
- UC Berkeley CS61C
- http://www.kvakil.me/venus/ 可以在線編譯RISC-V的工具