《跟着先楫学习RISCV系列一》RISC-V开放架构设计简读

2024-06-15

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一、前言

感谢eeworld电子工程世界提供《 RISC-V开放架构设计之道》书籍测评，书中并没有过多繁琐介绍riscv的概念，也没有过多强调riscv的好处，更多介绍的是riscv的简洁、免费、开放的思想。

如同书中一位大佬推荐所说的：这本方便的小书轻松地总结了RISC-V指令集架构所有的基本要素，是学生和从业者的完美参考指南。

RISC-V,是比较大体、宽泛的概念，但是书中内容很简短，内容插入了不少插图以及RISCV的参考卡，说是参考指南一点也不过分；加之目录介绍很清晰，从riscv32的基础整数指令集RV32I、乘法和除法指令集M扩展、原子指令集A扩展、单双精度浮点数指令集RV32F/RV32D、压缩指令RV32C、以及汇编语言和向量RV32V。以及后续的RV64介绍。

而刚好先楫的处理器作为典型标准的RISCV处理器，当然也支持上述的指令集，并且还有所扩充。以实际的硬件进行书籍分享是最好不过的思路了。比如先楫的HPM5300系列。

本系列文章更多是讲一些基础知识，利用HPM5300EVK配合SEGGER Embedded Studio这个IDE通过查看机器码和汇编来分析RISCV的一些指令集，以此能对riscv有一定的了解兴趣。

本书内容目录比较多，系列文章定期分享RISCV的每个指令集基础。

二、导读

如果想要接触riscv，那么典型的reference card（参考卡）不可或缺，你会发现相比其他的指令集架构，riscv真的相对简洁了不少(基础的就只有两页)，而且操作码7位，相当可自由扩充127个扩展指令，这也是riscv的开放自由思想。这里截图一小部分，需要了解的可以搜下riscv cheat sheet。

链接：

https://www.cl.cam.ac.uk/teaching/1617/ECAD+Arch/files/docs/RISCVGreenCardv8-20151013.pdf

（一）RV32I指令格式

如书中描述，RV32I 基础指令集的一页图形表示。对于每幅图，将有下划线的字母从左到右连接起来，即可组成完整的 RV32I 指令集。对于每一个图，集合标志{}内列举了指令的所有变体，变体用加下划线的字母或下划线字符_表示。特别的，下划线字符_表示对于此指令变体不需用字符表示。例如，下图表示了这四个 RV32I 指令：slt， slti， sltu， sltiu:

书中展示了6种基本指令格式，分别是用于寄存器-寄存器操作的 R 类型指令，用于短立即数和访存 load 操作的 I 型指令，用于访存 store 操作的 S 型指令，用于条件跳转操作的 B 类型指令，用于长立即数的 U 型指令和用于无条件跳转的 J 型指令。

这里使用最简单的U类型种的lui指令，配合利用HPM5300EVK配合SEGGER Embedded Studio来进行说明上述所说的指令格式是什么意思。

随便打开hpm_sdk一个例子，从左边的汇编窗口找到lui的汇编，比如以下：

可以看到，ses这个IDE对于汇编和机器码呈现还是是否直观的，对于不熟悉gdb调试又想查看汇编的开发者是十分友好的。

对于左边的8000452a指的是存储到flash的机器码的flash地址，中间的E40007B7就是机器码，最右边就是汇编部分。

hpm单片机支持压缩指令集RV32C，所以机器码有些会是16位，这对于固件空间的缩小利用是有一定帮助的。

可以分析下E40007B7这个机器码对应的Lui指令格式，如下图可看到：

E40007B7的低7位代表操作码opcode，也就是lui的操作码(0b0110111)，

7到11bit是5位目的寄存器(0b01111)，这很奇妙，5bit宽度刚好是32，对应的就是寄存器的长度（32bit），换成十六进制就是15，对应的通用寄存器就是X15，也就是别名a5寄存器。

高11位就是立即数，对应的十六进制就是0xE4000，最终根据该机器码可以反汇编得到: 把一个20位的立即数0xE4000加载到a5寄存器，

对应的汇编指令就是： lui a5, 0xE4000

刚好可以对上ses IDE的汇编显示。

（二）RISCV通用寄存器

无论是RISCV32还是RISCV64，他的通用寄存器的数量都是32个，分别是x0~x31，当然为了方便汇编编写，每个寄存器也有别名，在参考卡中如下:

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。

这里说明下caller是调用者，调用(或执行)一个函数的代码段或者函数，是主动发起函数调用的一方，可以理解是"甲方"。

callee是被调用者，被调用的函数本身，是被动接收函数调用并且执行对应操作的一方，可以理解是"乙方"。

从上面的表格知道，从通用寄存器上看，X0到X31，调用者需要保存的通用寄存器16个，剩下的是被调用者需要保存的寄存器。

这里可以从函数调用阶段来进行说明通用寄存器的作用，配合利用HPM5300EVK配合SEGGER Embedded Studio，使用helloworld例子来说明。

函数调用基本分为以下几个阶段，在书中也提到：