从头开发一个RISC-V的操作系统(五)汇编语言编程

文章目录

  • 前提
  • RISC-V汇编语言入门
  • RISC-V汇编指令总览
    • 汇编指令操作对象
    • 汇编指令编码格式
    • add指令介绍
    • 无符号数
  • 练习
  • 参考链接

目标:通过这一个系列课程的学习,开发出一个简易的在RISC-V指令集架构上运行的操作系统。

前提

这个系列的大部分文章和知识来自于:[完结] 循序渐进,学习开发一个RISC-V上的操作系统 - 汪辰 - 2021春,以及相关的github地址。

在这个过程中,这个系列相当于是我的学习笔记,做个记录。

RISC-V汇编语言入门

能手写汇编代码的,在我的心目中,都是巨佬。只有明白底层硬件的人,才有可能去写汇编。

一个完整的RISC-V汇编程序有多条语句(statement)组成。一个典型的RISC-V汇编语句由3部分组成:
[label:] [operation] [comment]

  • label:任何以冒号结尾的标识符都被认为是一个标号。
  • operation可以有多种类型
    • instruction:直接对应二进制机器指令的字符串
    • pseudo-instruction: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
    • directive: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,不对应具体的指令
    • macro:采用.macro/.endm自定义的宏
  • comment:注释,以#开始到当前行结束

RISC-V汇编指令总览

汇编指令操作对象

寄存器:在这个系列中,我们只有32个通用寄存器,x0~x31,这个在之前我们已经展示过了。在RISC-V中,Hart在执行算数逻辑运算时所操作的数据必须直接来自寄存器。

内存:Hart可以执行在寄存器和内存之间的数据读写操作;读写操作使用字节位基本单位进行寻址;RV32最多可以访问 2 32 2^{32} 232个字节的内存空间。

汇编指令编码格式

在这里插入图片描述
RV32由6种指令编码格式。每一条指令有32bits,funct7/funct3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。rs2,rs1,rd都是指的是寄存器(register),imm指的是立即数。
大端序:高字节存放在内存的低地址;小端序:低字节存放在内存的低地址。
下面这张表指出了opcode是如何与指令对应的。
在这里插入图片描述
opcode总共7bits,第0和第1位都是11,第2到第四位和第5到第6位不同,则代表着指令类型不同,使用addsub指令举例。
在这里插入图片描述
先看opcode0110011在表中对应着OP,add和sub都应该属于OP,然后funct3也相同,但是funct7不同,代表着它们一个是add,一个是sub。

这里介绍的只是一个概貌,更多信息还要自己学习。

add指令介绍

在这里插入图片描述
通过上面的图片就可以明白一条汇编指令是如何到二进制代码的。同时这一块视频中也有详细地讲解。

无符号数

我们知道有符号数在计算机中都是使用二进制补码的形式保存的,最高位为符号位,0代表正数,1代表负数。正数的补码不变,负数的补码=反码+1。

练习

这里我们带大家做一个add2的练习。
汇编源码为:

# Add
# Format:
#	ADD RD, RS1, RS2
# Description:
#	The contents of RS1 is added to the contents of RS2 and the result is 
#	placed in RD..text			# Define beginning of text section.global	_start		# Define entry _start_start:li x6, 1		# x6 = 1li x7, -2		# x7 = -2add x5, x6, x7		# x5 = x6 + x7stop:j stop			# Infinite loop to stop execution.end			# End of file

make 以后,我们使用make code查看这个程序的二进制代码,然后逐行进行分析,如下:


test.elf:     file format elf32-littleriscvDisassembly of section .text:80000000 <_start>:.text			# Define beginning of text section.global	_start		# Define entry _start_start:li x6, 1		# x6 = 1
80000000:	00100313          	li	t1,1li x7, -2		# x7 = -2
80000004:	ffe00393          	li	t2,-2add x5, x6, x7		# x5 = x6 + x7
80000008:	007302b3          	add	t0,t1,t28000000c <stop>:stop:j stop			# Infinite loop to stop execution
8000000c:	0000006f          	j	8000000c <stop>

其他都没什么好说的,主要就是这个li指令以及add这个指令。add x5,x6,x7这个我们在上面展示过了,这里主要解释下li这个伪指令。
在这里插入图片描述
这里我们先从其他博客那里拿过来一个结论,
在这里插入图片描述

li伪指令把一个立即数imm加载到rd寄存器中。当imm在 [ − 2 11 , 2 11 − 1 ] [-2^{11} , 2^{11-1}] [211,2111]范围内(也就是[-2048~2047))的时候,li被转化成下面这条实际指令:

addi rd, x0,imm #rd=imm+0
x0是一个特殊的寄存器,值为0且永远不会改变

所以add x7, x0, -2 对应的二进制为:111111111110 00000 000 00111 0010011,前面的111111111110代表了-2,它是以二进制补码存储的;00000代表了寄存器x0,000是funct,00111代表了寄存器x7,最后的0010011则是opcode。和我们输出的hex一样。

那么当立即数imm不在这个范围,但在32位有符号数的范围内(也就是[-2147482648~-2048)以及(+2047~+2147482647])的时候,一条addi指令显然是不够了。 这时候就需要lui指令。

假设我们有这样的一条语句add x7, -3000,那么它对应的二进制是多少呢?先看它的二进制,如下图:
在这里插入图片描述
在立即数为-3000的情况下,一条li伪指令被分为了两条汇编指令luiaddiaddi我们已经在上面介绍过了,下面给出lui指令的说明。
在这里插入图片描述
看这个似乎有点懵,我们直接说怎么将-3000写入到x7寄存器的。
-3000的32位二进制反码为1111 1111 1111 1111 1111 0100 0100 1000,先取第12到第31位(通过右移12位就可以得到第12到第31位),也就是1111 1111 1111 1111 1111共20位,构成lui这条指令1111 1111 1111 1111 1111 00111 0110111 = fffff3b7。对应的操作就是:将20位左移12位,并将低12位置0,写入到x7中。
再取-3000的第0到第11位0100 0100 1000加到x7寄存器中(x7 = x7 + imm[0:11]),对应的二进制指令就是0100 0100 1000 00111 000 00111 0010011 = 44838393,可以看到,和程序的结果一样。这样大家阶对li伪指令有了进一步的了解。

参考链接

  1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/367085156

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