新手 RISC-V 編程的幾點(diǎn)內(nèi)容

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原文：

https://blog.stephenmarz.com/2021/05/12/tips-to-writing-assembly/

當(dāng)用戶(hù)使用 C、C++ 或任何其他高級(jí)語(yǔ)言時(shí)，編譯器決定了程序的藝術(shù)。然而這一次，我們將自行面對(duì) CPU，新手實(shí)現(xiàn)面向指令集編程的藝術(shù)，本文使用RISC-V 為例來(lái)向大家展示，來(lái)如何使用編寫(xiě)語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序邏輯，并最終將程序邏輯轉(zhuǎn)換為匯編語(yǔ)言的程序。
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用合適的語(yǔ)言設(shè)計(jì)邏輯對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，這是最難的一步，因?yàn)楝F(xiàn)在學(xué)生們常用的高級(jí)語(yǔ)言中，往往使用更抽象的工具進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，許多學(xué)生想直接編寫(xiě)完整的功能模塊。但是對(duì)于匯編語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，這是一種注定要失敗的方法。相反，為了把邏輯和語(yǔ)言分開(kāi)，我們必須用我們理解的語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)程序邏輯。
如果一個(gè)學(xué)生不懂 C 或一些“低級(jí)”語(yǔ)言，那么我建議他們用偽碼寫(xiě)。因?yàn)橛锰�高�?jí)的語(yǔ)言如 Java 其實(shí)是面向虛擬機(jī)編程的，這會(huì)增加程序邏輯到匯編語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換難度，而使用太低級(jí)的語(yǔ)言會(huì)使程序邏輯設(shè)計(jì)變得困難。因此，我推薦 C 或 C++，在將代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)候，最好將有對(duì)應(yīng)的代友橫向放在一起，一些編輯可以把它們并排放在一起，這是很有幫助的。
說(shuō)實(shí)話(huà)這部分雖然看似平平無(wú)奇，但卻讓我頗感到意外，因?yàn)?C 語(yǔ)言和匯編的對(duì)照完全可以通過(guò) gcc 的 -o  -g 參數(shù)以及 objdump 實(shí)現(xiàn)。

在譯者的理念中，匯編語(yǔ)言是專(zhuān)門(mén)用于填補(bǔ)空白，只有當(dāng)其它語(yǔ)言不能勝任的時(shí)候才會(huì)考慮用匯編語(yǔ)言上場(chǎng)工作，不過(guò)從這篇博文中透露出的信息來(lái)看，國(guó)外在教學(xué)過(guò)程中對(duì)于匯編語(yǔ)言的運(yùn)用范圍也是不設(shè)限的，而在譯者印象中能用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)任何功能的程序員，在國(guó)內(nèi)只有求伯君，嚴(yán)援朝等廖廖數(shù)人而已，由此可見(jiàn)我們?cè)?IT 基礎(chǔ)教育領(lǐng)域要做的工作還很多。


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小步快跑，不要試圖一口吃個(gè)胖子很多匯編語(yǔ)言的初學(xué)者試著從頭到尾寫(xiě)完整的程序，而沒(méi)有在中間進(jìn)行過(guò)任何測(cè)試關(guān)鍵，但是我建議在完成部分邏輯時(shí)就立刻進(jìn)行測(cè)試。這樣做其實(shí)很簡(jiǎn)單，比如完成了一個(gè) for 循環(huán)，等等一小部分功能就要開(kāi)始測(cè)試。
可以將 C 或 C++ 程序與匯編程序連接起來(lái)。通過(guò)在 C++ 中原型化組裝函數(shù)的名稱(chēng)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。按照一般的做法通常會(huì)在 C 函數(shù)前面加上一個(gè) “c” 來(lái)區(qū)分。我們可以調(diào)用 Show 來(lái)運(yùn)行匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的函數(shù)。
其實(shí)這部分的建議并不僅僅針對(duì)于 RISC-V 甚至不是針對(duì)匯編語(yǔ)言，無(wú)論是什么語(yǔ)言的編程，當(dāng)你想到要進(jìn)行單元測(cè)試的時(shí)候往往就已經(jīng)晚了，隨時(shí)對(duì)于一個(gè)細(xì)小的模塊進(jìn)行測(cè)試真的是一個(gè)好習(xí)慣。
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了解匯編語(yǔ)言的功能定位這里我們必須要充分認(rèn)識(shí)到?jīng)]有匯編語(yǔ)言和有編譯器解釋器的高級(jí)語(yǔ)言真的完全不一樣，不養(yǎng)兒不知父母恩，不寫(xiě)匯編不知各類(lèi)語(yǔ)言之父有多神。在匯編語(yǔ)言中操作順序都需要程序員自己去掌握。
例如，4+3*4 的運(yùn)算，作何一種語(yǔ)言的編譯器都先執(zhí)行乘法，然后再加法。然而在匯編語(yǔ)言的編程世界中，我們必須首先選擇乘法指令，然后再選擇加法指令。沒(méi)有為我們進(jìn)行運(yùn)算符號(hào)的優(yōu)先級(jí)重排。
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了解如何調(diào)用函數(shù)

在匯編語(yǔ)言中編寫(xiě)一個(gè)函數(shù)是一項(xiàng)非常艱苦的任務(wù)，大多數(shù) ISA 體系結(jié)構(gòu)（如ARM和RISC-V）的芯片都將附帶專(zhuān)門(mén)的工作手冊(cè)，當(dāng)然這些手冊(cè)中只是制定了一些基本規(guī)則，如何傳遞參數(shù)，如何接收返回結(jié)果，又如何構(gòu)造函數(shù)棧禎等等具體的話(huà)題都值得深入討論。

不過(guò)幸運(yùn)的是 RISC-V 寄存器的 “ABI” 命名規(guī)則，有助于程序員理解它們的含義。比如：

• 整數(shù)參數(shù)在寄存器 A0-A7 中，浮點(diǎn)參數(shù)在寄存器 FA0-FA7 中
• 通過(guò)對(duì)堆棧指針的 sub 操作去分配函數(shù)堆棧。在調(diào)用完成后使用 add 操作進(jìn)行銷(xiāo)毀
• 堆棧大小必須以 8 的整數(shù)倍形式分配
• 所有參數(shù)和臨時(shí)寄存器必須在函數(shù)調(diào)用后,被視為銷(xiāo)毀態(tài)
• 在函數(shù)調(diào)用之后，已保存寄存器才能被顯式保存。如果使用了任何已保存的寄存器，則必須在函數(shù)返回之前還原它們的原始值
• 通過(guò) a0 寄存器做為返回值，將數(shù)據(jù)返回給調(diào)用方。
  
  

以下面這段代碼為例：

.global mainmain:addi    sp, sp, -8sd      ra, 0(sp)la      a0, test_solvecall    solvemv      a0, zerold      ra, 0(sp)addi    sp, sp, 8ret我們可以看到先通過(guò) addi sp,sp,-8 的語(yǔ)句構(gòu)造函數(shù)禎，保存所有寄存器后執(zhí)行相應(yīng)函數(shù)邏輯，接下來(lái)將所有包括sp寄存器內(nèi)的調(diào)用環(huán)境恢復(fù)，最后返回。
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文檔建議使用 C 或其他語(yǔ)言編寫(xiě)匯編語(yǔ)言的注釋?zhuān)�用以下代碼為例：
# used |= 1 << ( x[i * 9 + col] - 1)    li      t0, 9   
mul     t1, s3, t0          # t1 = i * 9   
add     t1, t1, s2          # t1 = i * 9 + col   
slli    t2, t1, 2           # Scale by 4   
add     t2, t2, s6          # x + i * 9 + col   
lw      t3, 0(t2)           # x[i * 9 + col]   
addi    t3, t3, -1          # x[i * 9 + col] - 1   
li      t4, 1   
sll     t4, t4, t3          # 1 << x[i * 9 + col] - 1   
or      s5, s5, t4          # used |= ...
原始 C 語(yǔ)言代碼進(jìn)行一個(gè)總的注釋?zhuān)�然后將每個(gè)匯編語(yǔ)言片段的也使用 C 語(yǔ)言進(jìn)行注釋。尤其當(dāng)涉及到運(yùn)算操作順序時(shí)，這樣的方式使我們能夠保證程序可以正確地執(zhí)行每一步。
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