16｜RISC-V指令精讲（一）：算术指令实现与调试

你好，我是LMOS。通过前面的学习，我们已经了解了在C语言编译器的“视角”下，C语言的各种表达式是如何转换成各种机器汇编指令的。从这节课开始，我会带你进一步深入学习各种汇编指令的细节。只要你耐心跟我学完这节课，对RISC-V的各种指令，你就能了如指掌了。这里我们将从RV32I的算术指令开始，先学习加减指令（add、sub），接着了解一下数值比较指令（slt）。这些指令都有两个版本，一个是立即数版本

sucaiwa

3568人浏览 · 2023-03-03 13:31:45

sucaiwa · 2023-03-03 13:31:45 发布

16｜RISC-V指令精讲（一）：算术指令实现与调试

你好，我是LMOS。

通过前面的学习，我们已经了解了在C语言编译器的“视角”下，C语言的各种表达式是如何转换成各种机器汇编指令的。从这节课开始，我会带你进一步深入学习各种汇编指令的细节。

只要你耐心跟我学完这节课，对RISC-V的各种指令，你就能了如指掌了。这里我们将从RV32I的算术指令开始，先学习加减指令（add、sub），接着了解一下数值比较指令（slt）。这些指令都有两个版本，一个是立即数版本，一个是寄存器的版本。话不多说，我们开始吧。

课程配套代码从这里下载。

加减指令

上小学时我们都学过四则运算，最基础的是加减法，即一个数加上或者减去一个数，对应到CPU中就是一条加法指令和一条减法指令。

一个CPU要执行基本的数据处理计算，加减指令是少不了的，否则基础的数学计算和内存寻址操作都完成不了，用这样的CPU做出来的计算机将毫无用处。

不过想让CPU实现加减法，我们需要用到它能“理解”的语言格式，这样才能顺畅交流。所以，在研究指令之前，我们先来看看RISC-V指令的格式。

RISC-V指令的格式

RISC-V机器指令是一种三操作数指令，其对应的汇编语句格式如下：

指令助记符 目标寄存器，源操作数1，源操作数2

例如“add a0，a1，a2”，其中add就是指令助记符，表示各种指令，add是加法指令；a0是目标寄存器，目标寄存器可以是任何通用寄存器；a1，a2是源操作数1与源操作数2，源操作数1可以是任何通用寄存器，源操作数2可以是任何通用寄存器和立即数。立即数就是写指令中的常数，比如0、1、100、1024等。

立即数加减法如何实现

我们先来看看加法指令，加法指令有两种形式。一种形式是一个寄存器和一个立即数相加，结果写入目标寄存器，我们称之为立即数加法指令。另一种形式是一个寄存器和另一个寄存器相加，结果写入目标寄存器，我们称之为寄存器加法指令。

我们先来看看立即数加法指令，形式如下：

addi rd，rs1，imm
#addi 立即数加法指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1
#imm 立即数

上述代码rd、rs1可以是任何通用寄存器。 imm立即数可以是-2048~2047，其完成的操作是将rs1寄存器里的值加上立即数，计算得到的数值会写到rd寄存器当中，也就是rd = rs1 + imm。

写代码验证之前，我们需要先明确代码应该写在哪里。而一个程序编译成二进制之后，运行的时候都是从 main 函数开始执行的。

所以，我们先构建一个main.c文件，在里面用C语言写上main函数，想让链接器工作这一步必不可少。接着，我们写一个汇编文件addi.S，并在里面用汇编写上 addi_ins函数。

addi_ins函数的代码如下所示：

addi_ins:
    addi a0，a0，5          #a0 = a0+5，a0是参数，又是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra					#函数返回

上节课我们提到过，C函数的函数名对应到汇编语言中就是标号，这里加上一条“jr ra”返回指令，就构成了一个C语言中的函数。

这里a0寄存器里的数值即是C语言函数里的第一个参数，也是返回值。所以这个汇编函数完成的功能，就是把传递进来的参数加上5，再把这个结果作为返回值返回。

下面我们在C语言的main函数中调用addi_ins，然后打印一下结果，如下所示：

#include "stdio.h"
int addi_ins(int x); //声明一下汇编语言中的函数：addi_ins
int main()
{
    int result = 0;
    result = addi_ins(4);    //result = 9 = 4 + 5
    printf("This result is:%d\n", result);
    return 0;
}

你可以用VSCode打开工程目录，按下“F5”键调试一下，输出的结果为9，因为4+5肯定等于9。效果如下所示：

在这里插入图片描述

上图中是程序刚刚执行完addi a0，a0，5指令之后，执行jr ra指令之前的状态。可以看到a0寄存器中的值已经变成了9，这说明运算的结果是正确的。

addi_ins函数返回后，输出的结果如下图所示：

在这里插入图片描述

上图的结果已经证明了，addi指令完成的功能和执行的结果符合我们的预期。

我们趁热打铁，在addi.S文件中再写一个函数，也就是 addi_ins2函数，代码如下所示：

.globl addi_ins2
addi_ins2:
    addi a0，a0，-2048       #a0 = a0-2048，a0是参数，又是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

addi_ins2函数的指令和addi_ins函数一样，只不过立即数变成了负数。我们很清楚所谓减法就是加上一个负数，所以通过addi_ins2函数就实现了立即数减法指令。

同样地，我们在main函数中调用它，代码如下所示：

#include "stdio.h"
int addi_ins(int x); //声明一下汇编语言中的函数：addi_ins
int addi_ins2(int x); //声明一下汇编语言中的函数：addi_ins2
int main()
{
    int result = 0;
    result = addi_ins(4);    //result = 9 = 4 + 5
    printf("This result is:%d\n", result);
    result = addi_ins2(2048);    //result = 0 = 2048 - 2048
    printf("This result is:%d\n", result);
    return 0;
}

接着我们再按下“F5”键调试一下，第二个printf输出的结果为0，因为2048-2048 肯定等于0。如下所示：

在这里插入图片描述

和之前一样，上图中是刚刚执行完addi a0，a0，-2048指令之后，执行jr ra指令之前的状态。这时a0寄存器中的值已经变成了0，这说明运算的结果正确。

addi_ins2函数返回后，输出的结果如下图所示：在这里插入图片描述

上图中已经证明了结果符合我们的预期，用addi指令完成了立即数的减法计算。这也是RISC-V指令集中没有立即数据减法指令的原因。为了保证这一特性，所有的立即数必须总是进行 符号扩展，这样就可以用立即数表示负数，所以我们并不需要一个立即数版本的减法指令。

最后，为了进一步搞清楚这条指令的机器码数据，我们一起看看addi_ins函数和addi_ins2函数的二进制数据什么样。

让我们打开工程目录下的addi.bin文件，如下所示：

在这里插入图片描述

以上是四条指令数据，其中两个0x00008067数据为两个函数的返回指令，即：jr ra，0x00550513，它对应的汇编语句addi a0，a0，5，0x80050513，对应汇编语句addi a0，a0，-2048。

第五节课我们总体了解过RISC-V的指令格式，这里我们一起来详细拆分一下addi指令的各位段的数据，看看它是如何编码的。

在这里插入图片描述

对照上图，我们可以看到一条指令数据为32位，其中操作码占7位，目标寄存器和或者源寄存器各占5位。通过5位二进制数，正好可以编码32个通用寄存器。上图中寄存器编码对应10，正好是x10，也即a0寄存器，立即数占12位。由于RISC-V指令总是按有符号数编码，所以立即数只能表示-2048~2047的范围。

寄存器版本的加减法如何实现

立即数的加减法已经搞定了，下面我们来看看寄存器版本的加减法如何实现。

寄存器版本的加法指令的形式如下：

add rd，rs1，rs2
#add 加法指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1
#rs2 源寄存器2

类似立即数加法指令，寄存器版本的加法指令也是两个源寄存器相加，结果放在目标寄存器中，代码中rd、rs1、rs2可以是任何通用寄存器，计算操作也和前面addi指令一样。

还是通过写代码来做个验证，我们写一个addsub.S文件，并在其中用汇编写上add_ins函数，如下所示：

add_ins:
    add a0，a0，a1          #a0 = a0+a1，a0、a1是C语言调用者传递的参数，a0是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

a0，a1是C语言函数调用的第一、二个参数，如果你想不明白，可以回顾一下之前我们讲的函数调用规范。

这里我们用VSCode打开工程目录，按下“F5”键调试一下，输出的结果为2，因为1+1的结果肯定等于2。

在这里插入图片描述

上图展示的是执行完add a0，a0，a1指令之后，执行jr ra指令之前的状态。这时a0寄存器中的值确实已经变成了2，这说明运算的结果正确。

当add_ins函数返回后，输出的结果如下图所示：

在这里插入图片描述

这个结果证明了add指令执行的结果符合我们的预期。

好，我们加点速，一鼓作气把减法指令也拿下。在addsub.S文件中再写一个函数，也就是sub_ins函数，代码如下：

sub_ins:
    sub a0，a0，a1          #a0 = a0-a1，a0、a1是C语言调用者传递的参数，a0是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

这段代码就是减法指令，和加法指令的模式一样，除了助记符是sub，实现的操作是a0 = a0 - a1。sub指令后的目标寄存器、源寄存器可以是任何通用寄存器。

我们按下“F5”键调试一下，其结果应为1，如下所示：

在这里插入图片描述

上图中依然是执行完sub a0，a0，a1指令之后，执行jr ra指令之前的状态。这时a0寄存器中的值确实已经变成1了，证明运算结果没问题。

当sub_ins函数返回后，就会输出下图所示的结果。

在这里插入图片描述

经过调试，sub指令执行的结果也符合我们的预期了。

下面我们继续研究机器编码，来看看add_ins函数和sub_ins函数的二进制数据。打开工程目录下的addsub.bin文件，如下所示：

在这里插入图片描述

以上4个32位数据是四条指令，其中两个0x00008067数据是两个函数的返回指令即：jr ra，0x00b50533为add a0，a0，a1，0x40b50533为sub a0，a0，a1。

我们还是来拆分一下add、sub指令的各位段的数据，看看它们是如何编码的。如下所示：

在这里插入图片描述

从图里可以看到，操作码占了7位，目标寄存器和两个源寄存器它们各占5位。目标寄存器和源寄存器编码对应10，正好是x10，即a0寄存器。而源寄存器2编码对应11，正好是x11也即是a1。其它位段为功能编码，add、sub指令就是用高段的功能码区分的。

比较指令

加减指令我们就讲到这里，不过光能计算加减还不够，接下来我们看看比较指令。现在大多数处理器都会包含数据比较指令，用于判断数值大小，以便做进一步的处理。

有无符号立即数版本：slti、sltiu指令

RISC-V指令集中有四条比较指令，这四条又分为有无符号立即数版本和有无符号寄存器版本，分别是slti、sltiu、slt、sltu。

slti、sltiu指令的形式如下所示：

slti rd，rs1，imm
#slti 有符号立即数比较指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1（有符号数据）
#imm 有符号立即数(-2048~2047)
sltiu rd，rs1，imm
#sltiu 无符号立即数比较指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1（无符号数据）
#imm 有符号立即数(-2048~2047)

上述代码中rd、rs1可以是任何通用寄存器。有、无符号是指rs1寄存器中的数据，有符号立即数imm的数值范围是-2048~2047。

slti、sltiu完成的操作用伪代码描述如下：

if(rs1 < imm)
    rd = 1;
else
    rd = 0;

下一步又到了写代码验证的环节。我们建立一个slti.S文件，在其中用汇编写上slti_ins、sltiu_ins函数，然后写下这两个函数：

.global slti_ins
slti_ins:
    slti a0, a0, -2048      #if(a0<-2048) a0=1 else a0=0，a0是参数，又是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

.global sltiu_ins
sltiu_ins:
    sltiu a0，a0，2047      #if(a0<2047) a0=1 else a0=0，a0是参数，又是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

slti_ins与sltiu_ins函数我已经帮你写好了，分别执行了slti和sltiu指令，都是拿a0寄存器和一个立即数比较，如果a0小于立即数就把1写入a0寄存器。

下面我们在C语言的main函数中调用它，然后打印一下结果，用VSCode打开工程，按“F5”调试后的效果如图：

在这里插入图片描述

上图中是执行完slti a0，a0，-2048指令之后，执行jr ra指令之前的状态。如果看到a0寄存器中的值确实已经变成1了，就说明运算的结果是正确的。

当slti_ins函数返回后，输出的结果如下所示：

在这里插入图片描述

因为-2049比-2048确实要小，所以返回1，这证明结果是正确的。

sltiu_ins函数的调试方法也差不多。你不妨对照后面的图看一下。

在这里插入图片描述

上图中依然是执行完sltiu a0，a0，2047指令之后，执行jr ra指令之前的状态，我们已经看到a0寄存器中的值变成0了，这说明a0的数据不小于2047。

当sltiu_ins函数返回后，输出的结果如下：

在这里插入图片描述

图里输出的结果0，这和执行完sltiu指令后a0的值是一致的。看到这可能你就有疑问了，传递的参数是-2048，它应该远小于2047，为什么输出结果不是1呢？

别忘了sltiu指令的属性，它是无符号的比较指令，也就是说sltiu指令看到的数据是无符号的，

而-2048数据编码为0xfffff800，如果把这个数据当成无符号数，则远大于2047，所以返回0。

有无符号寄存器版本：slt、sltu指令

接着我们再来看看slt、sltu指令，这是寄存器与寄存器的有无符号比较指令，它们的形式如下所示。

slt rd，rs1，rs2
#slt 有符号比较指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1（有符号数据）
#rs2 源寄存器2（有符号数据）
sltu rd，rs1，rs2
#sltu 无符号比较指令
#rd 目标寄存器
#rs1 源寄存器1（无符号数据）
#rs2 源寄存器2（无符号数据）

上述代码中rd、rs1、rs2可以是任何通用寄存器。有、无符号同样代表rs1、rs2寄存器中的数据。

我们先看看slt、sltu这两个指令完成的操作，用伪代码怎么描述：

if(rs1 < rs2)
    rd = 1;
else
    rd = 0;

我们依然在slti.S文件中用汇编写上slt_ins、sltu_ins函数，如下所示：

.globl slt_ins
slt_ins:
    slt a0, a0, a1          #if(a0<a1) a0=1 else a0=0，a0，a1是参数，a0是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

.globl sltu_ins
sltu_ins:
    sltu a0, a0, a1         #if(a0<a1) a0=1 else a0=0，a0，a1是参数，a0是返回值，这样计算结果就返回了
    jr ra                   #函数返回

这里已经写好了slt_ins与sltu_ins函数，分别是执行slt和sltu指令，都是拿a0寄存器和a1寄存器比较，如果a0小于a1寄存器，就把1写入到a0寄存器，否则写入0到a0寄存器。

接下来的调试环节你应该很熟悉了。VSCode当中按F5调试的效果如下：

在这里插入图片描述

上图中是执行完slt a0，a0，a1指令之后，执行jr ra指令之前的状态。对照截图可以看到，执行指令之后，a0寄存器中的值确实已经变成1了，这说明比较运算的结果是正确的。

当slt_ins函数返回后，输出的结果如下：

在这里插入图片描述

因为1确实小于2，所以结果返回1，通过调试表明运算结果是正确的。

sltu_ins函数的调试我们也如法炮制。

在这里插入图片描述

上图是执行完sltu a0，a0，a1指令之后，执行jr ra指令之前的状态。如果我们看到a0寄存器中的值变成0，就说明a0的数据不小于a1。

当sltu_ins函数返回后，输出的结果如下：

在这里插入图片描述

是不是有点困惑？结果是0，可是传递的参数是-2和1，-2应该小于1啊？出现这个结果，是因为sltu指令所看到a0中的数据（-2），是 无符号 的。而-2的数据编码为0xfffffffe，由于它是无符号数，所以远大于1，返回0才是正确的。

调试工作告一段落，接下来我们再研究一下slti_ins、sltiu_ins、slt_ins、sltu_ins函数的二进制数据。打开工程目录下slti.bin文件，如下所示：

在这里插入图片描述

以上8个32位数据是八条指令，其中四个0x00008067数据是四个函数的返回指令即：jr ra，0x80052513为slti a0，a0，-2048，0x7ff53513为sltiu a0，a0，2047，0x00b52533为slt a0，a0，a1，0x00b53533为sltu a0，a0，a1。

同样地，我们也来拆分一下slti、sltiu、slt、sltu指令的各位段的数据，看看它们是如何编码的。

在这里插入图片描述