【Telink B91通用开发套件】(五)RISC-V 存储加载指令学习

andeyqi

简介：

    一直想学习下risc-v 的指令集，虽然可以通过各种模拟器来学习了解，不过还是喜欢在开发板上学习验证，适此开发板评测机会正好可以实际硬件环境上学习验证下。


1.RISC-V 通用寄存器


RISC-V 体系结构提供32个通用整型寄存器(X0~X31),寄存器的长度则根据处理器的位数相关，64位处理器寄存器长度位64位，32位处理器则是32位，长度位XLENG根据处理器的长度一致，浮点数运行RISC-V处理器也提供32个浮点数通用寄存器f0~f31,寄存器描述如下图1.1和图1.2。

图1.1

图1.2

• x0 寄存器别名为zer0，寄存器内容全是0，可以作为源寄存器，也可以作为目标寄存器
• x1 寄存器别名为ra -- 链接寄存器，用于保存函数返回地址
• x2 寄存器别名为sp -- 栈指针寄存器，指向栈地址
• x3 寄存器别名为gp -- 全局寄存器，用于链接器松弛优化
• x4 寄存器别名为tp -- 线程寄存器，通常在操作系统中保存指向进程控制块 task_struct 指针
• x5~x7 以及 x28~x31 寄存器为临时寄存器，它们别名分别是t0~t6
• x8~x9 以及 x18~x27 寄存器的别名分别为s0~s11,称为Callee-saved registers 寄存器用户在程序中使用需要保存到栈中
• x10~x17 寄存器别名为a0~a7,在函数调用时传递参数和返回值
  

2 RISC-V 指令集类型

   图 2.2 显示了六种基本指令格式，分别是：用于寄存器-寄存器操作的 R 类型指令，用于短立即数和访存 load 操作的 I 型指令，用于访存 store 操作的 S 型指令，用于条件跳转操作的B 类型指令，用于长立即数的U 型指令和用于无条件跳转的J 型指令。图 2.3 使用图2.2 的指令格式列出了图 2.1 中出现的所有RV32I 指令的操作码。

图 2.1

图2.2

图 2.3

• 0~6 位为opcode字段，用于指令分类
• rs1:表示源寄存器1，可以从通用寄存器x0~x31中选择
• rs2:表示源寄存器2，可以从通用寄存器x0~x31中选择
• rd:表示目标寄存器，可以从通用寄存器x0~x31中选择
• imm:表示有符号立即数
• func:表示功能码，有些指令的opcode 是相同的但是，但是他们的func是不同的从而来解析命令，参见图2.4
  

图 2.4

3.存储和加载指令
    RISC-V 的指令集架构是一种存储预加载的架构,存储与加载是基本的指令，RISC-V除了提供 32 位字（lw， sw）的加载和存储外，图 2.1 中说明， RV32I 支持加载有符号和无符号字节和半字（lb， lbu， lh， lhu）和存储字节和半字（sb， sh）。有符号字节和半字符号扩展为 32 位再写入目的寄存器。即使是自然数据类型更窄，低位宽数据也是被扩展后再处理，这使得**的整数计算指令能正确处理所有的 32 位。在文本和无符号整数中常用的无符号字节和半字，在写入目标寄存器之前都被无符号扩展到 32 位。


3.1 加载指令

加载指令格式如下：
l{d|w|h|b} {u} rd, offset(rs1)
其中相关的定义选项如下：

• {d|w|h|b} 表示加载的数据宽度 d-64bit w-32bit h-16bit b-8bit
• {u} 可选项，表示加载的数据为无符号数，即采用零扩展的方式，如果没有这个选项表示加载的数为有符号数，即采用有符号扩展
• rd 表示目标寄存器
• rs1 表示源寄存器1
• (rs1) 表示以rs1寄存器的值为基地址进行寻址
• offset 表示以源地址的寄存器的值为基地址的偏移量,offset 是12位有符号数，取值范围为[-2048,2047]
  

如下为load 指令的支持的指令：

图3.1.1

3.2 存储指令

存储指令格式如下：
s {d|w|h|b} rs2,offset(rs1)
其中相关的定义选项如下：

• {d|w|h|b} 表示加载的数据宽度 d-64bit w-32bit h-16bit b-8bit
• rs1 表示源寄存器1
• (rs1) 表示以rs1寄存器的值为基地址进行寻址
• rs2 表示源操作寄存器，用来表示源操作数
• offset 表示以源地址的寄存器的值为基地址的偏移量,offset 是12位有符号数，取值范围为[-2048,2047]
  

load 相关指令如下：

图3.2.1

4 B91开发板验证

4.1 lw 和 sw 指令的验证

  根据上面的描述可知，lw 可以加载32bit数据至寄存器，sw 可以存储32bit数据至目标地址，因为板子的jtag 反正没有搞定无法单步查看寄存器的状态，此实验会依赖shell 编写hexdump1/hexdump2 命令来dump 内存信息，hexwrite 写内存数据，此代码就不展开说明了，我们的B91 开发板上有128K的DRAM(0X00080000~0X000A0000),从map 可知大部分内存是没有被程序使用的，我们在0x00090000 为基地址验证，创建asm_test.S文件加入如下代码段验证。

1. .align 3
   
2. 
   
3. .global load_store_test
   
4. load_store_test:
   
5.         li t0, 0x90000
   
6.         lw t1,(t0)
   
7.         sw t1,4(t0)
   
8. 
   
9.         ret

复制代码

如上代码会把0x90000 地址的数据复制到0x90004处，我们通过hexwrite 命令将0x90000处修改为0xdeadbeef的魔数复制到0x90004处。

通过asm_test 命令执行上述汇编函数

1. unsigned int asm_test(char argc,char ** argv)
   
2. {
   
3.         int cmd = 0;
   
4.         cmd = atoi(argv[0]);
   
5.         uint8_t data[20] = {0x00};
   
6. 
   
7.         switch(cmd)
   
8.         {
   
9.         case 0:
   
10.                 load_store_test();
    
11.                 break;
    
12.         default:
    
13.                 break;
    
14.         }
    
15. 
    
16.         return 0;
    
17. };

复制代码

验证结果如下跟我们预期的而一致更新了0x90004内存地址的内容为0xdeadbeef.

图4.1.1

4.2 offset 取值范围编译验证

按照load/store 命令的格式说明offset 的范围是取值范围为[-2048,2047],我们修改上面的汇编代码，验证下如果offset > 2047 || < -2048
编译器是否会报错.

1. .align 3
   
2. 
   
3. .global load_store_test
   
4. load_store_test:
   
5.         li t0, 0x90000
   
6.         lw t1,(t0)
   
7.         sw t1,2048(t0)
   
8. 
   
9.         ret

复制代码

offset 修改为2048 及 -2049 超过取值范围编译器会报错，在取值范围内则不会。

图 4.2.1

图4.2.2

4.3 lb 和 sb 指令的验证lb/sb 指令分别是加载和存储一个字节操作，我们编写如下测试代码期待复制0x9000 的一个byte至0x9004地址,代码如下执行asmtest 1指令会触发执行如下代码：

1. .global load_store_byte_test
   
2. load_store_byte_test:
   
3.         li t0, 0x90000
   
4.         lb t1,(t0)
   
5.         sb t1,4(t0)
   
6. 
   
7.         ret

复制代码

从如下执行结果可知，已经复制了一个字节至0x90004,跟预期的一致,lh/sh的也是一样在此就不做验证了。

图 4.3.1

4.4 ld 和 sd 指令的验证

文档上ld/sd 指令RV32和RV64都是支持的不过在B91开发板上会提示失败不支持的config。

图4.4.1

图 4.4.2

该问题后来查了下RISC-V官方的文档SD/LD指令是RV64才有的我们的RV32是不支持的，并不是编译器的问题，图4.4.1 应该是有问题的，如下是官方文档说明，该问题也算结案。

图 4.4.3

4.5 load 指令的无符号扩展

上面的load 指令描述时有个u选项代表了时否都加载的数进行无符号扩展，默认是进行有符号扩展，如下的指令1执行时会将t0对应的byte数据按照有符号的方式进行扩展至32bit,以数据为0x8a为例，最高位为1，因此在做符号扩展的时候会将高字节填充0xff,指令1 t1加载道的数据即为0xffffff8a,而指令2是不进行符号扩展，会对高字节的数据填充0x00,t1加载的数值为0x0000008a

指令1：lb t1,(t0)

指令2：lbu t1,(t0)

我们编写如下测试代码按照上面的0x8a数值进行验证。

1. .global load_store_byte_with_u_test
   
2. load_store_byte_with_u_test:
   
3.         li t0, 0x90000
   
4.         lb t1,(t0)
   
5.         sw t1,4(t0)
   
6. 
   
7.         ret

复制代码

此时如果设置0x9000地址的内容为0x8a,0x90004的地址将被更新为0xffffff8a,验证结果如下，跟预期的一致。

图4.5.1

更改测试代码如下：

1. .global load_store_byte_with_u_test
   
2. load_store_byte_with_u_test:
   
3. li t0, 0x90000
   
4. lbu t1,(t0)
   
5. sw t1,4(t0)
   
6. 
   
7. ret

复制代码

此时如果设置0x9000地址的内容为0x8a,0x90004的地址将被更新为0x0000008a,验证结果如下，跟预期的一致。

图4.5.2

基本的load 和 stroe 指令就先学习到这，后续有时间在逐步熟悉RISC-V指令集的其他指令。

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代码和官方下载的资料已上传至如下git路径

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