CS61C Lecture09: RISC-V 位操作与函数调用

一、位操作指令详解

1. 位掩码操作

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：

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：

# 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

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

# 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

# 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：

# 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：

# 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：

# 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