CS61C Lecture09: RISC-V 位操作与函数调用¶

约 752 个字 47 行代码预计阅读时间 4 分钟共被读过次

一、位操作指令详解¶

1. 位掩码操作¶

Text Only

andi x5, x6, 0xFF        # 取最低字节（x5 = x6 & 0x000000FF）
andi x7, x8, 0xFF000000  # 取最高字节（x7 = x8 & 0xFF000000）

掩码应用场景：
- 提取颜色通道（ARGB格式）
- 网络协议头解析
- 字符编码处理

2. 逻辑运算技巧¶

操作	实现方式	示例
按位取反	XOR全1掩码	`xori x5, x6, 0xFFFFFFFF`
清除特定位	AND取反掩码	`andi x5, x6, 0xFFFFF0FF`（清除第8-11位）
设置特定位	OR置位掩码	`ori x5, x6, 0x00000F00`

3. 移位指令对比¶

指令	格式	行为	用途
sll	sll rd, rs1, rs2	逻辑左移（补0）	快速乘法（2^n倍）
slli	slli rd, rs1, imm	立即数逻辑左移
srl	srl rd, rs1, rs2	逻辑右移（补0）	无符号数除法
sra	sra rd, rs1, rs2	算术右移（符号扩展）	有符号数除法
srai	srai rd, rs1, imm	立即数算术右移

示例：

Text Only

slli x5, x6, 3    # x5 = x6 * 8
srai x7, x8, 2    # x7 = x8 / 4（有符号数）

二、程序控制核心机制¶

1. 程序计数器（PC）¶

32位寄存器，存储下一条指令的字节地址
默认行为：PC += 4（顺序执行）
跳转时：PC = target_address

2. 寄存器别名表¶

物理寄存器	符号名称	用途
x0	zero	常数0
x1	ra	返回地址
x2	sp	栈指针
x10-x17	a0-a7	参数/返回值
x5-x7, x28-x31	t0-t6	临时寄存器

三、伪指令解析¶

伪指令	实际指令	功能
mv rd, rs	addi rd, rs, 0	寄存器复制
li rd, imm	组合指令（可能包含lui+addi）	加载立即数
nop	addi x0, x0, 0	空操作（用于流水线控制）
j label	jal x0, label	无条件跳转
ret	jalr x0, 0(x1)	函数返回

nop的三大作用：
1. 填充流水线气泡
2. 对齐指令地址
3. 软件延时（不推荐）

四、函数调用机制¶

1. 函数调用六步曲¶

参数传递：a0-a7寄存器（前8个参数）
控制转移：jal指令（保存返回地址到ra）
栈帧分配：addi sp, sp, -framesize
局部存储：保存被调用者保存寄存器（s0-s11）
返回值设置：a0/a1寄存器
资源释放：addi sp, sp, framesize + ret

2. 关键跳转指令对比¶

指令	格式	行为	用途
j	jal x0, offset	PC = PC + offset	短距离跳转
jal	jal rd, offset	rd=PC+4; PC=PC+offset	函数调用
jalr	jalr rd, offset(rs1)	rd=PC+4; PC=rs1+offset	间接跳转
jr	jalr x0, 0(rs1)	PC = rs1	寄存器跳转

调用示例：

Text Only

# 调用函数func
    addi a0, x0, 5     # 设置参数
    jal ra, func        # 跳转并保存返回地址
    ...                 # 后续代码

func:
    addi sp, sp, -16    # 分配栈空间
    sw ra, 12(sp)       # 保存返回地址
    ...                 # 函数体
    lw ra, 12(sp)      # 恢复返回地址
    addi sp, sp, 16     # 释放栈空间
    ret                 # 返回

五、函数调用规范¶

1. 寄存器保存规则¶

寄存器类型	保存责任	寄存器列表
调用者保存	调用者负责保存	t0-t6, a0-a7
被调用者保存	被调用者负责保存	s0-s11, ra

2. 栈帧结构示例¶

Text Only

High Address
|----------------|
| 保存的s1       | <- sp + 24
|----------------|
| 保存的s0       | <- sp + 20
|----------------|
| 保存的ra       | <- sp + 16
|----------------|
| 局部变量2      | <- sp + 12
|----------------|
| 局部变量1      | <- sp + 8
|----------------|
| 参数溢出区     | <- sp + 4
|----------------|
| 当前栈帧       | <- sp
Low Address

六、高级编程技巧¶

1. 尾调用优化¶

Text Only

# 普通递归调用
factorial:
    addi sp, sp, -8
    sw ra, 4(sp)
    ...
    jal factorial       # 产生新栈帧

# 尾递归优化版
factorial_tail:
    ...
    mv a0, t0          # 直接修改参数
    j factorial_tail    # 复用当前栈帧

2. 多精度运算¶

Text Only

# 64位加法（x5:x4 = x5:x4 + x7:x6）
add x4, x4, x6         # 低32位相加
sltu t0, x4, x6        # 检测进位
add x5, x5, x7         # 高32位相加
add x5, x5, t0         # 加上进位

七、常见错误分析¶

栈不平衡：

Text Only

# 错误示例
func:
    addi sp, sp, -12
    ... 
    ret  # 忘记恢复sp!

后果：后续函数调用栈损坏

未保存调用者保存寄存器：

Text Only

# 错误示例
caller:
    mv t0, a0
    jal func
    add a0, t0, a0  # t0可能被func修改

正确做法：调用前保存t0到栈中

错误使用ra寄存器：

Text Only

# 错误示例
func:
    jal helper    # 覆盖ra!
    ret           # 返回地址丢失

正确做法：嵌套调用前保存ra到栈中