汇编语言指令概述

基本概念¶

汇编语言就是一套指令集，不同 CPU 都不一样

指令集两个流派：CISC（复杂指令集）和 RISC（精简指令集）

存储程序思想：将程序和数据都存放在内存中，CPU 通过指令来访问和操作这些数据。

RISC-V Instruction Set¶

RISC-V 是什么？

是一种 开放的 CPU 指令集架构（ISA, Instruction Set Architecture）。

💡 “指令集架构”就像是定义 CPU 能理解的“语言”和“规则”。

所以：

• Intel 的 x86、AMD64 是一种架构
• ARM 是一种架构
• RISC-V 也是一种架构

不同厂商（如 SiFive、阿里平头哥、华为、NVIDIA 等）可以根据 RISC-V 架构规范 自行设计 CPU，只要遵守它定义的指令集格式。

ISA：指令集体系结构

RISC-V Foundation

RISC-V 指令集手册

学习时候可以下载模拟器运行，因为自己的电脑是 x86 架构的

寄存器 (register)¶

寄存器是 CPU 内部 的高速存储单元，用于临时存储数据和指令。

RISC-V 有 32 个通用寄存器（x0 - x31），每个寄存器 32 位（4 字节）。自然的，占的空间越小，速度越快。

使用的时候要有良好的习惯，因为汇编可以操作最底层的东西，破坏力大。

指令¶

特点：指令做的事情少（比高级语言少）

从寄存器拿出来数，给到加法器，结果放回寄存器

add immediate: 立即数加：立即数是有固定位数的，不能太大

数据传送的原因：不能对内存里的数直接操作，只能是寄存器中的数或者立即数，如果对内存的数操作的话，得先把内存的数加载（load）到寄存器中，操作完之后再放回内存去（store）

指令格式¶

RISC-V 指令长度固定为 32 位，分为以下几种格式：

• R 型（寄存器类型）：用于算术和逻辑运算
• I 型（立即数类型）：用于加载、存储和算术运算
• S 型（存储类型）：用于存储数据到内存
• B 型（分支类型）：用于条件跳转
• U 型（上位立即数类型）：用于加载高位立即数
• J 型（跳转类型）：用于无条件跳转

Arithmetic Operations¶

约定：汇编语言一行只写一条指令，后面可以用 # 注释

add a, b, c # a gets b + c

Example:

f = (g + h) - (i + j);

add t0, g, h   # temp t0 = g + h
add t1, i, j   # temp t1 = i + j
sub f, t0, t1  # f = t0 - t1

数据传送：如果寄存器不够用了，就得先把寄存器的数存到内存里（store），等用的时候再从内存里加载（load）到寄存器

R-type Instruction¶

R 型指令：只需要寄存器，没有包括内存 / 立即数 / 偏移

R 型指令的机器码中：

• 操作码：头上的7位，0000000
• 功能码：尾上的7位，用来区分具体哪个操作

add x10, x11, x12

| funct7 | rs2 | rs1 | funct3 | rd | opcode |
| 7 bits | 5 b | 5 b | 3 bits | 5 b | 7 bits |
|31..25  |24..20|19..15|14..12 |11..7|6..0  |

0000000 01100 01011 000 01010 0110011

0000000_01100_01011_000_01010_0110011

0x00C58533

add x5, x6, x7

| funct7 | rs2 | rs1 | funct3 | rd | opcode |
| 7 b | 5 b | 5 b | 3 b | 5 b | 7 b |
| 0000000 | 00111 | 00110 | 000 | 00101 | 0110011 |

addi x5, x6, 10

| imm[11:0] | rs1 | funct3 | rd | opcode |
| 12 b | 5 b | 3 b | 5 b | 7 b |
| 000000001010 | 00110 | 000 | 00101 | 0010011 |

sw x5, 8(x6)

| imm[11:5] | rs2 | rs1 | funct3 | imm[4:0] | opcode |
| 7 b | 5 b | 5 b | 3 b | 5 b | 7 b |
| 0000000 | 00101 | 00110 | 010 | 01000 | 0100011 |

beq x5, x6, offset

| imm[12] | imm[10:5] | rs2 | rs1 | funct3 | imm[4:1] | imm[11] | opcode |
| 1 b | 6 b | 5 b | 5 b | 3 b | 4 b | 1 b | 7 b |

lui x5, 0x12345

| imm[31:12] | rd | opcode |
| 20 b | 5 b | 7 b |

jal x1, offset

| imm[20] | imm[10:1] | imm[11] | imm[19:12] | rd | opcode |
| 1 b | 10 b | 1 b | 8 b | 5 b | 7 b |

| funct7 | rs2 | rs1 | funct3 | rd | opcode |
| 7 bits | 5 b | 5 b | 3 bits | 5b | 7 bits |
| 31..25 |24..20|19..15|14..12 |11..7|6..0  |

00000 → 11111

x0 → x31

汇编语言是用的助记符

机器码就是32位 / 64位的二进制

操作数类型

• 寄存器
• 立即数
• 内存地址：在 RISC-V 里面没有，因为是先把内存的数加载到寄存器里，再操作寄存器，但是在 x86 等 ISA 里面有

Memory Operands¶

如果程序在内存里面放不下，则放到硬盘。内存和硬盘的数据交换的单位是 page（页），一般是 4KB，也有 8KB。内存和寄存器的数据交换就比较自由，可以 1Byte，也可以 0.5Byte

在内存中寻址的方法是通过 地址 找，按照字节寻址，内存中，一个地址就是 1 Byte

在内存中存储的时候，要求 对齐，原因是：

CPU 访问内存是按字（word）为单位读取的，一个“字”通常就是 4 字节（32 位）。例如对于 int 类型（4 字节），它的地址必须是 4 的倍数（0x0, 0x4, 0x8, ...）。如果不是的话，就横跨了两个 word，CPU 需要进行两次内存访问，效率低下。

内存地址¶

用基地址 + 偏移量（offset）来表示内存地址

• 偏移量是：数量 * 数据类型大小（占的字节数）

字节序：

RISC-V 是小端序，就是低位存在低地址，即从右往左写

内存操作示例：

偏移量写在外面，作为一个立即数

Immediate Operands¶

立即数：直接写在指令里的数

addi

The Constant Zero¶

x0 is the constant 0, which cannot be overwritten.

It is useful for: move between registers

# move x5 to x6
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</div>
add x6, x5, x0  # x6 = x5 + 0

对于简单指令，要熟悉汇编语言和机器码的翻译过程：

• 寄存器数值就是对应位置的十进制，翻译成二进制
• 操作码等要知道

I-format Instruction¶

I: 立即数

前面12位立即数是用 补码 表示的

S-format Instruction¶

也是立即数型指令

把立即数拆成两部分: imm[11:5] and imm[4:0]

专门应用于 store instruction, 其他立即数指令都是用 I-format

Example:

A[30] = h + A[30] + 1

equals to:

equals to:

Store the Program¶

在内存里面，程序和数据都是一样的形式存储的。

Logic Operantions¶

Shift Operations¶

sll, slli, srl, srli, sra, srai

分类：算术移位 / 逻辑移位；左移右移；是否立即数版本

右移时候：

• 算术移位：高位符号扩展

• 逻辑移位：高位补0

逻辑移位 == 乘除法，且移位操作快

对无符号数，右移，前面补0，相当于除

And Operations¶

and x9, x10, x11 # x9 = x10 & x11

Or Operations¶

作用：把数字的某些位设置为 1

XOR Operations¶

作用：把数字的某些位取反

立即数的扩展：

Making Decision¶

跳转指令

• 有条件跳转：for / while
• 无条件跳转：jump

Conditional Operation¶

beq and bne¶

跳转：

beq = branch if equal

beq rs1, rs2, L1 
# if(rs1 == rs2) goto L1, meaning: if(rs1 == rs2) branch to instruction labled L1
# PC = PC + (L1 << 1)

这里面，L1 是一条指令的标签

| imm[12] | imm[10:5] | rs2 | rs1 | funct3 | imm[4:1] | imm[11] | opcode |

实际偏移 = 立即数 << 1  (左移1位,相当于乘以2,补上省略的 imm[0])

beq x5, x6, label  # 假设 label 距离当前PC是 +100 字节

• PC relative addressing：PC 相对寻址

即在机器码中，用相对位置的差值（距离）表示 L1，而不是绝对地址，那么这用的是立即数，说明相对位置差不能太大，否则立即数表示不下。其中，正距离表示向前跳转，负距离表示向后跳转。32位系统指令长度是 4 字节，所以“距离”都是 4 的倍数。又因为RISC-V兼顾16位的操作系统（指令长度为2的倍数），所以跳转地址要左移 1 位（乘以 2），即后面补一个 0。

PC 是程序计数器（寄存器），存放下一条要执行的指令地址，由系统自动控制，每次执行完指令，PC 会自动加上指令长度（RISC-V 是 4 字节）

bne = branch if not equal

bne rs1, rs2, L1  # if(rs1 != rs2) goto L1, meaning: if(rs1 != rs2) branch to instruction labled L1

例子：

if (i == j) {
    f = g + h;
} else {
    f = g - h;
}

    bne x22, x23, Else(2)   # if (i != j) goto Else
    add x19, x20, x21  # f = g + h
    beq x0, x0, Exit (1)    # goto Exit
Else: sub x19, x20, x21  # f = g - h
Exit:

1. 此处其实是一个 无条件跳转，即判断条件永远为真（x0 恒为 0），所以直接跳转到 Exit 标签处。另外此处机器码中立即数是 4

2. 此处翻译成机器码后立即数是 6

while (save[i] == k) i += 1

• in in x22, k in x24, address of save in x25

Loop: slli x10, x22, 3
      add x10, x10, x25   # x10 = &save[i]
      ld x9, 0(x10)      # x9 = save[i]
      bne x9, x24, Exit  # if(save[i] != k) goto Exit
      addi x22, x22, 1    # i += 1
      beq x0, x0, Loop    # goto Loop
Exit:

slli x10, x22, 3
add x10, x10, x25   # x10 = &save[i]

这两句是在计算 &save[i]，因为 save 是 double 类型，占 8 字节（2^3 = 8），所以要把 i 左移 3 位（乘以 8）再加上 save 的基地址 x25。

blt, bge, bltu, bgeu¶

blt = branch if less than

blt rs1, rs2, L1  # if(rs1 < rs2) goto L1, meaning: if(rs1 < rs2) branch to instruction labled L1

bge = branch if greater than or equal

有符号数和无符号数的比较

• 有符号数比较：blt, bge
• 无符号数比较：bltu, bgeu

因为负数的话将其当作无符号数时候他是非常大的正数

Basic Block 基本块¶

一整个完整的没有跳转出去和跳转进来的指令序列

Procedure Calling 过程调用¶

变量作用域、参数传递都要自己写

• 约定：x10 - x17 放参数，多了就只能放内存
• 程序栈
• 返回值放 x10, x11

jal and jalr¶

jal = jump and link: Procedure Call

jal x1, ProcedureLabel1

• 将下一条指令地址（PC + 4）存入 x1（$ra，返回地址寄存器）
• 跳转到 ProcedureLabel1 处执行

jalr = jump and link register: Return from Procedure

jalr x0, 0(x1)

• 将返回地址寄存器 x1 的值（即 PC + 4）存入 PC，实现返回

jarl 指令也有别的用途

• 无条件跳转
• 高级语言的 case

# 调用函数 func
jal ra, func        # 跳转到 func，同时保存返回地址到 ra

# 函数体 func:
func:
    ...             # 执行一些操作
    jalr x0, 0(ra)  # 从 ra 返回到调用点

Stack 栈指针¶

程序栈：每次进入一个程序，都分配一块栈空间

对一块栈空间：顶部地址大，底部地址小，但是栈是从高地址向低地址增长的。

栈指针就是指向栈顶的地址，可以往下增长（分配空间），也可以往上减少（释放空间）

把父程序的三个值放在栈里：当执行完子程序要访问父程序的变量时，可以通过栈指针加上偏移量来访问（类似于恢复现场）

当申请3个寄存器的空间时候，SP 要减去 12（3 * 4 字节）

为什么是减：因为栈是从高地址向低地址增长的