RISC汇编与中断向量表

摩尔定律让算力放缓，以前学习的都是32位的x86汇编，不得不说x86架构的指令集真的是历史包袱太重了，x86架构的不足在当代急需超强的算力的背景下越发明显，功耗大、通用寄存器数量少、计算机硬件利用率低、寻址范围小等问题凸显，难以跟上算力发展的速度。与此同时，ARM架构在移动互联网盛行的当下却开始焕发出别样的生命力。于是最近看了看ARM架构下的衍生RISC-V架构，顺便回顾一下计算机组成原理的相关内容。

汇编环境搭建

最近的内容其实也主要就是包含了上图中具体设施、底层管理和编程技巧的一些内容。上面也说道了由于X86的特性，还是开源的RISC-V指令集更加有利于学习。其实本质都是一样的，在学习RISC-V指令集的时候我使用了MARS，MARS是一个轻量级的交互式开发环境（包含MIPS汇编程序和运行时模拟器的IDE），用于使用MIPS汇编语言进行编程，旨在与Patterson和Hennessy的计算机组织和设计一起用于教育使用。这里是它的官网： http://courses.missouristate.edu/kenvollmar/mars/

下载完成后是一个4MB左右的Jar可执行文件，需要使用Java环境，如果有Java运行环境(JRE)可直接使用，否则应先下载JRE或者JDK才可以，打开后是这样的：

上图中的汇编代码对应的C代码是：

#include <stdio.h>

int main(){
    int r, x;
    x = 2;
    r = x + 3;
    printf("%d", r);
    return 0;
}

汇编相关概念

汇编语言特点

ASM也是汇编语言源程序的扩展名，汇编程序员也称汇编为ASM，汇编语言(Assembly Language)是面向机器的程序设计语言，汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。

在汇编语言中，用助记符( Mnemonic)代替操作码，用地址符号(Symbol)或标号(Label)代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言，因此汇编语言亦称为符号语言。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序，汇编程序是系统软件中语言处理系统软件。汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编。汇编语言比机器语言易于读写、调试和修改，同时具有机器语言全部优点。但在编写复杂程序时，相对高级语言代码较大，而且汇编语言依赖于具体的处理器体系结构，不能通用，因此不能直接在不同处理器体系结构之间移植。

综上汇编语言的特点如下：

1、面向机器的低级语言，通常是为特定计算机或系列计算机专门设计的。

2、保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。

3、可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O

反汇编与伪指令

反汇编：将可执行的文件中的二进制经过分析转变为汇编程序。

反编译：将可执行的程序经过分析转变为高级语言的源代码格式，一般完全的转换不太可能，编译器的优化等因素在里面

伪指令(伪汇编指令)：用于告诉汇编程序如何进行汇编的指令，它既不控制机器的操作也不被汇编成机器代码，只能为汇编程序所识别并指导汇编如何进行。将相对于程序或相对于寄存器的地址载入寄存器中。

预处理指令(伪编译指令)：比如 #define 和 #ifdef ，一般被用来使源代码在不同的执行环境中被方便的修改或者编译。源代码中这些指令会告诉预处理器执行特定的操作。比如告诉预处理器在源代码中替换特定字符等操作。

通过这样的对比其实可以非常深刻的理解反汇编与伪指令的含义，这与反编译与预处理指令如出一辙。

指令解码与助记符

以CPU计算5000×0.2的例子来看看数据空间地址与指令空间地址：

其中这些指令其实本质就是一个二进制串：

下面对指令集做一个大致预览，其中ADD、SUB、MUL、AND、OR等都是基本的数学运算或者逻辑运算，LOAD、STORE、MOV等都是对寄存器加载数据控制相关的指令，最后还有流程控制相关的BRANCH、BREQ、BRNE、BRIO等指令。

程序指针也叫作PC指针，是一个特殊的寄存器，存储下一条要的程序所在的内存地址：

所以整个计算过程如下图所示：

所以需要知道的重点就是：

1、计算机通过指令指挥计算机工作

2、CPU被时钟驱动，不断的读取PC指针指向的指令，并增加PC指针从内存中读取指令并执行，如此周而复始。

3、不同的CPU架构使用不同指令，目前使用最广泛的是RISC (精简指令集)

指令解码的过程：对于这个RISC来说所有指令的长度都是一样的。对于MIPS-32架构【一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构】的指令示例：

不同的opcode对应着不同的拆分方式：

还比如下面这条opcode=25的时候：

所以需要知道的是CPU根据opcode的不同来识别这条指令应该如何去解码和执行的。

助记符：32位RISC指令集中，opcode是6位数字，这太过于抽象，不好记忆，因此我们通常采用助记符来记忆他们，所以就形成了上面的各种汇编指令。

四种寻址模式

寻址模式是指令集的一部分，决定指令有几个操作符，地址如何计算。不需要记有哪些寻址模式，这个不重要，不同指令集寻址模式也不同；通过学习寻址模式看到的其实是如何利用好二进制指令。

1、寄存器寻址

操作符是寄存器，利用n位寻址2n次方个寄存器，比如 add $r10, $r1, $r2 ，把1号寄存器和2号寄存器的内容相加后存储到10号寄存器。

2、立即寻址

操作符中有值，例如 addi $r1, $zero, 1000 数字大小有限制，如32位机器就是 [-2^15-1 ~ 2^15]

3、偏移量寻址

根据基地址和偏移量进行寻址,最终的地址是在基地址和偏移量上计算，例如： lw $r0, 8($sp)

sp作为基寄存器，偏移量是8，通过这样的偏移量计算得到的内存地址，把改地址的值放到目标寄存器中

4、PC相对寻址

下一个PC指针的位置依赖当前位置到Label的距离(当前代码行和Label所在的代码行之差)，比如 beq $r3, $r9, LABAL

r3寄存器与r9寄存器中的值相同的时候就跳转到Label，相当于goto语句的作用

内存读写指令

load/store指令用来从内存中读写入内。通常会有多个版本的实现，助记符是：

load类：lw,lb,lh、store类：sw、sb、sh

数学运算指令

立即寻址 addi、subi、divi、multi 如： addi $sp, $sp, 4

寄存器寻址 add、sub、div、mult 如： add $d, $rs, $rt

位运算指令

and、or、xor等

条件跳转

相对寻址 j LABLE

寄存器间接寻址 jr $a0

多合一 jal LABLE ，将当前PC指针 + 4（对于32位机器来说）存入 $ra 寄存器，再执行 j LABLE ，函数调用就是这样实现的

opcode代表指令的类型; opcode也决定寻址模式

直接寻址、间接寻址、偏移量寻址不要死记硬背，要理解。

MIPS的32个寄存器

MIPS有32个通用寄存器 （$0-$31） ，各寄存器的功能及汇编程序中使用约定如下，下表描述32个通用寄存器的别名和用途：

$0 :即 $zero ，该寄存器总是返回零，为0这个有用常数提供了一个简洁的编码形式。 move $t0,$t1 实际为 add $t0,$0,$t1 ，使用伪指令可以简化任务，汇编程序提供了比硬件更丰富的指令集。

$1 :即 $at ，该寄存器为汇编保留 ，由于I型指令的立即数字段只有16位，在加载大常数时，编译器或汇编程序需要把大常数拆开，然后重新组合到寄存器里。比如加载一个32位立即数需要 lui（装入高位立即数）和addi两条指令。像MIPS程序拆散和重装大常数由汇编程序来完成，汇编程序必需一个临时寄存器来重组大常数，这也是为汇编 保留$at的原因之一。

$2..$3 : ($v0-$v1) 用于子程序的非浮点结果或返回值， 对于子程序如何传递参数及如何返回，MIPS范围有一套约定，堆栈中少数几个位置处的内容装入CPU寄存器，其相应内存位置保留未做定义，当这两个寄存器不够存放返回值时，编译器通过内存来完成。

$4..$7 : ($a0-$a3) 用来传递前四个参数给子程序，不够的用堆栈。 a0-a3 和 v0-v1 以及 ra 一起来支持子程序／过程调用，分别用以传递参数，返回结果和存放返回地址。当需要使用更多的寄存器时，就需要堆栈（stack)了，MIPS编译器总是为参数在堆栈中留有空间以防有参数需要存储。

$8..$15 : ($t0-$t7) 临时寄存器，子程序可以使用它们而不用保留。

$16..$23 : ($s0-$s7) 保存寄存器，在过程调用过程中需要保留（被调用者保存和恢复，还包括 $fp 和 $ra ），MIPS提供了临时寄存器和保存寄存器，这样就减少了寄存器溢出（spilling,即将不常用的变量放到存储器的过程)，编译器在编译一个叶（leaf)过程（不调用其它过程的过程）的时候，总是在临时寄存器分配完了才使用需要保存的寄存器。

$24..$25 : ($t8-$t9) 同 ($t0-$t7)

$26..$27 : ($k0,$k1) 为操作系统／异常处理保留，至少要预留一个。异常（或中断）是一种不需要在程序中显示调用的过程。MIPS有个叫异常程序计数器（exception program counter，EPC)的寄存器，属于CP0寄存器，用于保存造成异常的那条指令的地址。查看控制寄存器的唯一方法是把它复制到通用寄存器里，指令mfc0(move from system control)可以将EPC中的地址复制到某个通用寄存器中，通过跳转语句（ jr )，程序可以返回到造成异常的那条指令处继续执行。MIPS程序员都必须保留两个寄存器 $k0 和 $k1 ，供操作系统使用。发生异常时，这两个寄存器的值不会被恢复，编译器也不使用 k0 和 k1 , 异常处理函数可以将返回地址放到这两个中的任何一个，然后使用jr跳转到造成异常的指令处继续执行。

$28 : ($gp) 为了简化静态数据的访问，MIPS软件保留了一个寄存器：全局指针gp(global pointer, $gp )，全局指针只想静态数据区中的运行时决定的地址，在存取位于gp值上下32KB范围内的数据时，只需要一条以gp为基指针的指令即可。在编译时，数据须在以gp为基指针的64KB范围内。

$29 : ($sp) MIPS硬件并不直接支持堆栈 ，你可以把它用于别的目的，但为了使用别人的程序或让别人使用你的程序，还是要遵守这个约定的，但这和硬件没有关系。

$30 : ($fp) GNU MIPS C编译器使用了帧指针(frame pointer), 而SGI的C编译器没有使用， 而把这个寄存器当作保存寄存器使用（ $s8 ), 这节省了调用和返回开销，但增加了代码生成的复杂性。

$31 : ($ra) 存放返回地址， MIPS有个jal (jump-and-link，跳转并链接)指令，在跳转到某个地址时，把下一条指令的地址放到 $ra 中。用于支持子程序，例如调用程序把参数放到 $a0~$a3 ,然后 jal X 跳到 X 过程，被调过程完成后把结果放到 $v0,$v1 ,然后使用 jr $ra 返回。

MIPS体系结构中寄存器大小为32位，32位一组称为字(word)，MIPS以 # 作为注释开头：

算术指令：

数据传输：

MIPS的字是4个字节，并不是x86里面的word才2个字节。

逻辑：

条件分支：

无条件跳转：

函数递归求阶乘

func fact(int i){
    if(i == 0){
        return 1;
    }
    return fact(i - 1);
}

下面会把这个递归函数使用MIPS汇编来实现：

对于if-else结构：

bne指令会比较r3寄存器和r4寄存器中的内容，如果相等则继续执行，不相等会跳转到ELSE标识处

对于for-loop结构：

我们主要比较关心的就是参数传递、返回值的获取：

注意我们理解的递归调用与真正的控制过程的关系：

下面是完整的汇编代码：

# 开始递归函数调用
addiu $sp, $0, 0x10010080 

# 压栈入参
addiu $s0, $0, 5 # n=5
sw $s0, 0($sp)
addiu $sp, $sp, -4

jal FACT
nop
j END
nop

FACT:

# 压栈返回地址
sw $ra, 0($sp)
addiu $sp, $sp, -4

# 读取入参
lw $s0, 8($sp)

# 压栈返回值
sw $0, 0($sp)
addiu $sp, $sp, -4

# 递归base条件
# if (n == 0) { return 1}
bne $s0, $0, RECURSION
nop
# 读取下返回地址
lw $t1, 8($sp)
# 出栈：返回值，返回地址
addiu $sp, $sp, 8
# 压栈返回值
addiu $s0, $zero, 1
sw $s0, 0($sp)
addiu $sp, $sp, -4

jr $t1
nop

RECURSION : # recursion
# return fact(n-1) * n

#压栈参数
addiu $s1, $s0, -1
sw $s1, 0($sp)
addiu $sp, $sp, -4

jal FACT
nop

# 现在的栈是什么样子的？ 参数 | 返回地址 | 返回值 | 子函数的参数 | 子函数的返回值 | 当前SP
# 当前参数
lw $s0, 20($sp)
# 子函数返回值
lw $s1, 4($sp)
# 返回地址
lw $t1, 16($sp)

mult $s1, $s0
mflo $s2

# 出栈：
addiu $sp, $sp, 16

# 返回值压栈
sw $s2, 0($sp)
addiu $sp, $sp, -4

jr $t1
nop

END:

运行代码可以看到，计算结果已经在 $sp 寄存器中了：

MIPS的其它示例

如果上面的递归调用过程太复杂，也可以先看看这几个例子：

$sp ：栈指针(stack pointer)寄存器，第29号寄存器，以字为单位进行调整。按照历史惯例，栈“增长”是按照地址从高到低的顺序进行。数据压栈时，栈指针值减小。

int leaf_example(int g, int h, int i, int j) {
  return (g + h) - (i + j);
}

我们可以写出如下的代码：

leaf_example:
  # 分配3个空间储存寄存器旧值
  addi $sp, $sp, -12
  sw   $t1, 8($sp)
  sw   $t0, 4($sp)
  sw   $s0, 0($sp)
  # 函数体
  add  $t0, $a0, $a1
  add  $t1, $a2, $a3
  sub  $s0, $t0, $t1
  add  $v0, $s0, $zero
  # 恢复寄存器旧值
  lw   $s0, 0($sp)
  lw   $t0, 4($sp)
  lw   $t1, 8($sp)
  addi $sp, $sp, 12
  jr   $ra
  nop

对于一个简单的求和函数

# add(5 + 9)
# 开始函数调用
addiu $sp, $0, 0x10010080 

# 压栈入参
addiu $s0, $0, 5 # a = 5
sw $s0, 0($sp)
addiu $sp, $sp, -4

addiu $s1, $zero, 9 # b = 9
sw $s1, 0($sp)
addiu $sp, $sp, -4

j ADD
nop

ADD:
# 压栈返回地址
sw $ra, 0($sp)
addiu $sp, $sp, -4

# 读取入参
lw $t0, 8($sp)
lw $t1, 12($sp)

#addiu $t2, $zero, 0
add $t2, $t1, $t0

move $a0, $t2
li $v0, 1

syscall

中断与中断向量

当外界发生变化时，通过中断通知CPU应该去注意某个信号(事件)。这个时候，CPU当前执行的程序会被中断，当前的执行状态会被保存，中断响应程序会被执行。

中断触发与处理的简要过程：

1、(OS加载时)写入中断向量表

2、产生中断请求，发送给CPU

3、查询中断向量表( Interrupt Vector Table)确定中断向量(Interrupt Vector)

4、根据中断向量定位中断响应程序

5、OS接管中断

中断请求( (Interrupt Request)

硬件设备发给主板(打印机、键盘、鼠标等)

硬件中断：CPU异常(除以0)，时钟信号等

软件中断：发出(异常、切换到内核态等)

中断向量表(Interrupt Vector Table): (一般在内存中)一块区域，存储了中断类型和中断响应程序的对应

关系，每一行叫做一个中断向量。如下表中的01中断通常用于调试程序，逐步执行。

中断的意义：

1、提高工作效率(回忆 polling的问题)

2、故障恢复(异常处理、紧急事件等)

3、简化编程模型(try-cache，计时器等)

• 本文作者： Tim
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