一起学RISC-V汇编第3讲之寄存器-编程知识

一起学RISC-V汇编第3讲之寄存器

news/2024/11/16 4:20:42/文章来源:https://www.cnblogs.com/sureZ-learning/p/18306366

寄存器是处理器中最常用的处理单元，RISC-V指令的操作数除了立即数就是寄存器。

RISC-V指令集包含了多种不同类型的寄存器，用于不同目的和功能：

对于rv32imafd架构而言，包含如下寄存器：

通用寄存器：32个通用整数寄存器，分别标记为x0-x31，如果是fd扩展，还有32 个独立的浮点寄存器，分别标记为f0-f31
控制与状态寄存器CSR：用来记录或配置一些CPU的运行状态
独立的程序计数器PC

1 通用寄存器

1.1 通用整数寄存器

RISC-V 架构提供32个通用寄存器x0-x31，其中x0 有些特殊，x0 寄存器被设置为硬件连线的常数0，读恒为0，写无效，这个寄存器在一些地方很有作用，因为程序运行中常数0的使用频率非常高，所以专门用一个寄存器来存放常数0，并没有浪费寄存器数量，并且使得编译器工作更加简便，这一点也是RISC-V架构优雅性的体现，比如后面讲到的伪指令。

下图来自riscv spec，附带PC寄存器（程序计数器，用来存储指向下一条指令的地址），寄存器的长度XLEN与架构有关（对于rv32：XLEN=32，对于rv64：XLEN=64）。
标量整数寄存器

对于这些通用寄存器，除了x0外（x0 寄存器的值读恒为0，写无效），其它寄存器都本质上是等价的。但在实际使用过程中，我们约定了这些寄存器的用法，即ABI规范，见下表，我们将x0-x31以及f0-f31 按照常用功能分别取了别名，附带有简单的描述，在汇编中使用原名和别名是等价的，比如：在汇编中我们使用x1或使用ra，编译器都是认识的，建议写汇编时使用别名，这样方便我们阅读代码，关于表中ABI的描述以及Caller Callee的概念见后续章节。
寄存器ABI别名

将上表重新抄录如下：

寄存器	ABI 名称	描述	Saver
x0	zero	零值	-
x1	ra	返回地址	Caller
x2	sp	堆栈指针	Callee
x3	gp	全局指针	-
x4	tp	线程指针	-
x5	t0	临时/备用链接寄存器	Caller
x6-x7	t1-t2	临时寄存器	Caller
x8	s0/fp	保存寄存器/帧指针	Callee
x9	s1/gp	保存寄存器/全局指针	Callee
x10-x11	a0-a1	函数参数/返回值	Caller
x12-x17	a2-a7	函数参数	Caller
x18-x27	s2-s11	保存寄存器	Callee
x28-x31	t3-t6	临时寄存器	Caller

1.2 通用浮点寄存器

对于带有fpu的架构，如rv32imafd 或 rv64imafd（F表示单精度浮点，D表示双精度浮点，D扩展依赖于F扩展）架构处理器而言，它们有32个浮点寄存器，见下图，浮点寄存器长度FLEN与"F" 或 “D”扩展有关，对于“F扩展”，无论是rv32imaf还是 rv64imaf架构，FLEN = 32，而对于“D扩展”，无论是rv32imafd还是 rv64imafd，FLEN=64。这一点与通用寄存器是不同的。
通用浮点寄存器

同样的，在实际使用过程中，我们约定了这些浮点寄存器的用法，见下表。

寄存器	ABI 名称	描述	Saver
f0-f7	ft0-ft7	浮点临时存储	Caller
f8-f9	fs0-fs1	浮点保存的寄存器	Callee
f10-f11	fa0-fa1	浮点函数参数/返回值	Caller
f12-f17	fa2-fa7	浮点函数参数	Caller
f18-f27	fs2-fs11	浮点保存的寄存器	Callee
f28-f31	ft8-ft11	浮点临时存储	Caller

查看XLEN与FLEN：

如下，我们可以查看riscv 编译器定义的xlen与flen宏，来了解XLEN与FLEN的差异，简单来说：xlen取决于是rv32还是rv64，flen取决于是F扩展还是D扩展。

$ riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv32imafc -mabi=ilp32f -dM -E - < /dev/null | grep len
#define __riscv_xlen 32
#define __riscv_flen 32
$ riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv32imafdc -mabi=ilp32d -dM -E - < /dev/null | grep len
#define __riscv_xlen 32
#define __riscv_flen 64
$ riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv64imafc -mabi=lp64f -dM -E - < /dev/null | grep len
#define __riscv_xlen 64
#define __riscv_flen 32
$ riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv64imafdc -mabi=lp64d -dM -E - < /dev/null | grep len
#define __riscv_xlen 64
#define __riscv_flen 64

2 控制状态寄存器CSR

RISC-V 定义了控制和状态寄存器CSR (Control and Status Register)，用于配置或记录处理器的运行状态， RISC-V 特权指令就是通过控制CSR来实现的。CSR 使用专有的 12 位地址空间，因此理论上能够支持最多 4096 个 CSR。但实际上，这个地址空间大部分是空的，RISC-V 手册中实际只定义了数十个 CSR，访问不存在的 CSR 将触发无效指令异常。

CSR寄存器的种类：

RISC-V 的 CSR 寄存器非常多，在机器模式（Machine Mode）下这些存储器主要包括以下六类：

处理器信息相关：如：MHARTID（Machine Hartid），表示机器模式信息寄存器组
中断配置相关：如：MIE（Machine Interrupt Enable）， MTVEC（Machine Trap Vector）等
异常处理相关：如：MCAUSE（Machine Cause）， MTVAL（Machine Trap Value），MSTATUS（Machine Status）等
存储器保护相关：设置不同地址空间的存储器的访问属性，例如可读可写可执行等等。
性能统计相关和调试接口相关，如MCYCLE(Machine Cycle)等。

CSR寄存器列表如下：

寄存器名称	全称	作用
处理器信息相关寄存器
misa	Machine ISA Register	机器模式指令集架构寄存器，可以查看处理器的位宽，以及所支持的扩展
mvendorid	Machine Vendor ID Register	机器模式供应商编号寄存器
marchid	Machine Architecture ID Register	机器模式架构编号寄存器
mimpid	Machine Implementation ID Register	机器模式硬件实现编号寄存器
mhartid	Hart ID Register	Hart编号寄存器
中断配置相关寄存器
mie	Machine Interrupt Enable Registers	机器模式中断使能寄存器，维护处理器的中断使能状态
mip	Machine Interrupt Pending Registers	机器模式中断等待寄存器，记录当前的中断请求
mtvec	Machine Trap-Vector Base-Address Register	机器模式异常入口基地址寄存器，低2位可以设置为直接模式或向量模式
异常处理相关寄存器
mcause	Machine Cause Register	机器模式异常原因寄存器
mtval	Machine Trap Value Register	又名mbadaddr, 机器模式异常值寄存器，存放当前自陷相关的额外信息，如地址异常的故障地址、非法指令异常的指令，发生其他异常时其值为 0
mstatus	Machine Status Registers	机器模式状态寄存器
mepc	Machine Exception Program Counter	机器模式异常PC寄存器，指向发生异常的指令
性能统计相关
mtime	Machine Timer Registers	机器模式计时寄存器
mcycle	Cycle counter	cycle 计数器（rv32 寄存器值为32位，需配合mcycleh使用，rv64 寄存器值为64位）
mcycleh	Cycle counter	cycle 计数器高32位(rv64 无)