初學(xué)RISC-V編程的技巧

如果編程本身就是一門藝術(shù)，那么匯編語言的編程就是編程領(lǐng)域中的皇冠，在這個基礎(chǔ)軟件全面回歸的時代，匯編語言似乎再次煥發(fā)了青春，根據(jù) TOBIE 發(fā)布的編程語言排行榜，匯編語言重回前十，雖然這是 X86、ARM、單片機等等所有平臺的匯編語言加在一起才取得的成果，不過在印象中上次匯編語言取得這樣的成績還是上個世紀(jì) 90 年代的事。

匯編語言對于操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫，人工智能框架等核心基礎(chǔ)軟件有著不可取代的作用，從了解到的情況看，比如龍芯對于 OpenJDK 的貢獻已經(jīng)達到了全球前五名，這其中最為關(guān)鍵的貢獻方向就是將 Java 虛擬機針對 Looongarch 指令集進行專項優(yōu)化，可以說熟練掌握一種匯編語言是高階程序員的必經(jīng)之路。

當(dāng)用戶使用 C、C++ 或任何其他高級語言時，編譯器決定了程序的藝術(shù)。然而這一次，我們將自行面對 CPU，新手實現(xiàn)面向指令集編程的藝術(shù)，本文使用RISC-V 為例來向大家展示，來如何使用編寫語言設(shè)計程序邏輯，并最終將程序邏輯轉(zhuǎn)換為匯編語言的程序。

譯者對于原文進行了一定的修訂與校對。

1、用合適的語言設(shè)計邏輯

對于初學(xué)者來說，這是最難的一步，因為現(xiàn)在學(xué)生們常用的高級語言中，往往使用更抽象的工具進行邏輯設(shè)計，許多學(xué)生想直接編寫完整的功能模塊。但是對于匯編語言來說，這是一種注定要失敗的方法。相反，為了把邏輯和語言分開，我們必須用我們理解的語言來設(shè)計程序邏輯。

如果一個學(xué)生不懂 C 或一些低級語言，那么我建議他們用偽碼寫。因為用太高級的語言如 Java 其實是面向虛擬機編程的，這會增加程序邏輯到匯編語言的轉(zhuǎn)換難度，而使用太低級的語言會使程序邏輯設(shè)計變得困難。因此，我推薦 C 或 C++，在將代碼進行轉(zhuǎn)換的時候，最好將有對應(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。

說實話這部分雖然看似平平無奇，但卻讓我頗感到意外，因為 C 語言和匯編的對照完全可以通過 gcc 的 -o -g 參數(shù)以及 objdump 實現(xiàn)。

在譯者的理念中，匯編語言是專門用于填補空白，只有當(dāng)其它語言不能勝任的時候才會考慮用匯編語言上場工作，不過從這篇博文中透露出的信息來看，國外在教學(xué)過程中對于匯編語言的運用范圍也是不設(shè)限的，而在譯者印象中能用匯編語言實現(xiàn)任何功能的程序員，在國內(nèi)只有求伯君，嚴援朝等廖廖數(shù)人而已，由此可見我們在 IT 基礎(chǔ)教育領(lǐng)域要做的工作還很多。

2、小步快跑，不要試圖一口吃個胖子

很多匯編語言的初學(xué)者試著從頭到尾寫完整的程序，而沒有在中間進行過任何測試關(guān)鍵，但是我建議在完成部分邏輯時就立刻進行測試。這樣做其實很簡單，比如完成了一個 for 循環(huán)，等等一小部分功能就要開始測試。

可以將 C 或 C++ 程序與匯編程序連接起來。通過在 C++ 中原型化組裝函數(shù)的名稱實現(xiàn)這一點。按照一般的做法通常會在 C 函數(shù)前面加上一個 “c” 來區(qū)分。我們可以調(diào)用 Show 來運行匯編語言編寫的函數(shù)。

其實這部分的建議并不僅僅針對于 RISC-V 甚至不是針對匯編語言，無論是什么語言的編程，當(dāng)你想到要進行單元測試的時候往往就已經(jīng)晚了，隨時對于一個細小的模塊進行測試真的是一個好習(xí)慣。

3、了解匯編語言的功能定位

這里我們必須要充分認識到?jīng)]有匯編語言和有編譯器解釋器的高級語言真的完全不一樣，不養(yǎng)兒不知父母恩，不寫匯編不知各類語言之父有多神。在匯編語言中操作順序都需要程序員自己去掌握。例如，4+3*4 的運算，作何一種語言的編譯器都先執(zhí)行乘法，然后再加法。然而在匯編語言的編程世界中，我們必須首先選擇乘法指令，然后再選擇加法指令。沒有為我們進行運算符號的優(yōu)先級重排。

4、了解如何調(diào)用函數(shù)

在匯編語言中編寫一個函數(shù)是一項非常艱苦的任務(wù)，大多數(shù) ISA 體系結(jié)構(gòu)（如ARM和RISC-V）的芯片都將附帶專門的工作手冊，當(dāng)然這些手冊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)棧禎等等具體的話題都值得深入討論。不過幸運的是 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，浮點參數(shù)在寄存器 FA0-FA7 中

通過對堆棧指針的 sub 操作去分配函數(shù)堆棧。在調(diào)用完成后使用 add 操作進行銷毀

堆棧大小必須以 8 的整數(shù)倍形式分配

所有參數(shù)和臨時寄存器必須在函數(shù)調(diào)用后，被視為銷毀態(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 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：

我們可以看到先通過 addi sp，sp，-8 的語句構(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。

5、文檔

建議使用 C 或其他語言編寫匯編語言的注釋，用以下代碼為例：

原始 C 語言代碼進行一個總的注釋，然后將每個匯編語言片段的也使用 C 語言進行注釋。尤其當(dāng)涉及到運算操作順序時，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。

責(zé)任編輯：tzh