RVMCU课堂「7」: 手把手教你玩转RVSTAR—汇编程序篇__专栏

相对于抽象层次更高的C/C++语言，汇编语言是一门抽象层次比较低的语言，面向的是最底层的硬件，直接使用处理器的基本指令。虽然现在大多数的程序设计已经不再使用汇编语言，但是在一些特殊的场合，譬如底层驱动、引导程序、高性能算法库等领域，汇编语言还经常扮演着重要的角色。

系统环境

Windows 10-64bit

软件平台

Nuclei Studio IDE 202102版

汇编语句组成

汇编程序的最基本元素是指令，指令集是处理器架构的最基本要素，因此RISC-V汇编语言的最基本元素自然是一条条的RISC-V指令。除了指令之外，由于此处所用RISC-V工具链是GCC工具链，因此一般的GNU汇编语法也能被GCC的汇编器识别，GNU汇编语法中定义的伪操作、操作符、标签等语法规则均可以在RISC-V汇编语言中使用。

一条典型的RISC-V汇编语句由4部分组成，包含如下字段：

[label:] opcode [operands] [;comment]
[标签:]   操作码   [操作数]     [;注释]

标签

表示当前指令的位置标记。

操作码

可以是如下任意一种：

RISC-V指令的指令名称，譬如addi指令、lw指令等。
汇编语言的伪操作。
用户自定义的宏。

操作数

操作码所需的参数，与操作码之间以空格分开，可以是符号、常量，或者由符号和常量组成的表达式。

注释

为了程序代码便于理解而添加的信息，注释并不发挥实际功能，仅起到注解作用。注释是可选的，如果添加注释，需要注意以下规则：

以“；”或者“#”作为分隔号，以分隔号开始的本行之后部分到本行结束都会被当作注释。
或者使用类似C语言的注释语法//和/* */对单行或者大段程序进行注释。

汇编程序伪操作

在汇编语言中，有一些特殊的操作助记符通常被称为伪操作（Pseudo Ops）。

伪操作在汇编程序中的作用是指导汇编器处理汇编程序的行为，且仅在汇编过程中起作用，一旦汇编结束，伪操作的使命就此结束。

此处所用的RISC-V工具链是GCC工具链，一般的GNU汇编语法中定义的伪操作均可在RISC-V汇编语言中使用。经过不断地增加，目前GNU汇编中定义的伪操作数目众多，感兴趣的读者可以自行查阅完整的GNU汇编语法手册。这里将仅简单介绍一些常见的伪操作。
.global symbol_name 或者 .globl symbol_name
.global和.globl伪操作用于定义一个全局的符号，使得链接器能够全局识别它，即一个程序文件中定义的符号能够被所有其他程序文件可见。
.weak symbol_name
在汇编程序中，符号的默认属性为强（strong），.weak伪操作则用于设置符号的属性为弱（weak），如果此符号之前没有定义过，那么同时创建此符号并定义其属性为 weak。
如果符号的属性为 weak，那么它无须定义具体的内容。在链接的过程中，另外一个属性为 strong的同名符号可以将此weak符号的内容强制覆盖。利用此特性， .weak伪操作常用于预留一个空符号，使得其能够通过汇编器语法检查，但是在后续的程序中定义符号的真正实体，并且在链接阶段将空符号覆盖并链接。
.align integer
.align 伪操作用于将当前PC地址推进到 “2的integer次方字节” 对齐的位置。譬如 “.align 3” 表示将当前PC地址推进到8个字节对齐的位置处。
.section name [, subsection]
.section 伪操作指明将接下来的代码汇编链接到名为 name的段（Section）中，还可以指定可选的子段（Subsection），常见的段有 .text、.data、.rodata、.bss。例如，“.section .text”伪操作将接下来的代码汇编链接到 .text段。

汇编程序定义标签

标签名称通常在一个冒号（：）之前，常见的标签分为文本标签和数字标签。

文本标签在一个程序文件中是全局可见的，因此定义必须使用独一无二的命名，文本标签通常被作为分支或跳转指令的目标地址，示例如下：


 loop:     //定义一个名为loop的标签，该标签代表了此处的PC地址
              ......
              j loop   //跳转指令跳转到标签loop所在的位置

数字标签为0~9之间的数字表示的标签，数字标签属于一种局部标签，需要时可以被重新定义。在被引用时，数字标签通常需要带上一个字母“f”或者“b”的后缀，“f”表示向前，“b”表示向后，示例如下：

      j 1f    //跳转到“向前寻找第一个数字为1的标签”所在的位置，即下一行
               //（标签为1）所在的位置
1:
      j 1b   //跳转到“向后寻找第一个数字为1的标签”所在的位置，即上一行
               //（标签为1）所在的位置

汇编程序定义宏

宏（macro）是将汇编语言中具有一组独立功能的汇编语句组织在一起，然后可以以宏调用的方式进行调用。示例如下：

.macro mac, a, b, c //定义一个名为mac的宏，参数为a、b、c
  mul t0, b, c            // mul指令将b和c相乘得到乘积写入t0寄存器
  add a, t0, a           // add指令将a与t0相加，将乘累加结果写入a
.endm

//调用mac宏
mac x1, x2, x3

完整实例

为了便于理解汇编程序，我们以 RV-STAR工程的非向量中断处理汇编代码为实例，讲解汇编程序。

在 Nuclei Studio中新建一个 helloworld工程。芯来科技官网的文档与工具页面可以下载Nuclei Studio，下载后解压缩，在 Nuclei Studio解压缩的目录下双击 NucleiStudio.exe即可启动 IDE。

第一次启动 Nuclei Studio将会弹出对话框要求设置 Workspace目录路径，该目录将用于存放后续创建的项目工程文件。设置好 Workspace路径，再单击 “Launch”启动 Nuclei Studio。

启动后推荐打开Launch Bar功能，方便快速编译和调试。打开菜单栏“Window -> Preferences”，搜索“bar”，勾选第一个选项“Enable the Launch Bar”即可启用Launch Bar功能。

在菜单栏中，选择“File-> New -> C/C++ Project”开始新建工程，在弹窗中双击选择“C Managed Build”。

新的页面中“Project name”填写“iasm”，“Project type” 选择“Nuclei SDK Project For GD32VF103 SoC”和“RISC-V Cross GCC”，如下图，点击“Next”。新的页面不用修改，直接点击“Next”即可。

在选择模板工程页面修改“Project Example”选项为“baremetal_helloworld”，后续页面不需要修改，点击“Next”直到最后一页，点击“Finish”完成新建helloworld工程。

打开 “nuclei_sdk->SoC->gd32vf103->Common->Source->GCC->intexc_g32vf103.S” 文件，翻到第144行开始到184行结束就是非向量中断处理汇编代码。这里列出具体代码，逐行讲解各个汇编代码的作用。

.section .text.trap     //将接下来的代码汇编链接到text段的trap段中
.align 6                     //2的6次方字节位置对齐
.global exc_entry     //全局变量exc_entry
.weak exc_entry      //定义属性为弱的变量exc_entry
exc_entry:               //名为exc_entry的标签

    SAVE_CONTEXT                     //调用宏SAVE_CONTEXT，作用是保存上下文
    SAVE_CSR_CONTEXT            //调用宏SAVE_CSR_CONTEXT，作用是保存寄存器内容

    csrr a0, mcause                       //将寄存器mcause的值传入通用寄存器a0
    mv a1, sp                                 //将sp的值传入通用寄存器a1
    call core_exception_handler  //调用中断处理函数，将前面传的a0和a1作为函数的参数

    RESTORE_CSR_CONTEXT  //调用宏RESTORE_CSR_CONTEXT，作用是恢复保存的寄存器内容
    RESTORE_CONTEXT          //调用宏RESTORE_CONTEXT，作用是恢复保存的上下文

    mret //退出中断处理函数

在汇编中调用C/C++函数

除了在C/C++程序中内嵌汇编程序之外，还可以在汇编程序中调用C/C++函数。这种情形在实际的工程中也很常见，C/C++语言构造的函数非常普遍，前面的中断处理函数中正是调用C/C++的函数。

在介绍C/C++函数调用之前，先介绍应用程序二进制接口（Abstract Binary Interface，ABI），ABI描述了应用程序和操作系统之间、应用和它的库之间，以及应用的组成部分之间的接口。

ABI涵盖了如下细节：

数据类型的大小、布局和对齐。
函数调用约定（控制着函数的参数如何传送以及接受返回值），例如，是所有的参数都通过栈传递，还是部分参数通过寄存器传递；哪个寄存器用于哪个函数参数；通过栈传递的第一个函数参数是最先还是最后推到栈上。
系统调用的编码和一个应用如何向操作系统进行系统调用。
在一个完整的操作系统ABI中，目标文件的二进制格式、程序库等。

其中，函数调用约定决定了函数调用时参数传递和函数返回结果的规则，有关RISC-V架构ABI的函数调用约定，可以查看RISC-V的架构手册。

对于RISC-V汇编程序而言，在汇编程序中调用C/C++语言函数，必须遵照ABI所定义的函数调用规则，即函数参数由寄存器a0~a7传递，函数返回由寄存器a0~a1指定。上面汇编实例中调用的c函数代码如下：

uint32_t core_exception_handler(unsigned long mcause, unsigned long sp)
{
    uint32_t EXCn = (uint32_t)(mcause & 0X00000fff);
    EXC_HANDLER exc_handler;

    if ((EXCn < MAX_SYSTEM_EXCEPTION_NUM) && (EXCn >= 0)) { 
        exc_handler = (EXC_HANDLER)SystemExceptionHandlers[EXCn];
    } else if (EXCn == NMI_EXCn) {
        exc_handler = (EXC_HANDLER)SystemExceptionHandlers[MAX_SYSTEM_EXCEPTION_NUM];
    } else {
        exc_handler = (EXC_HANDLER)system_default_exception_handler;
    }
    if (exc_handler != NULL) {
        exc_handler(mcause, sp);
    }
    return 0;
}