Lecture 10 RISC-V Procedures

RISC-V Function Call Conventions

• Registers faster than memory, so use them
• a0 – a7 (x10 - x17): eight argument registers to pass parameters and two return values (a0 - a1)
• ra: one return address register to return to the point of origin (x1)
• Also s0 - s1 (x8 - x9) and s2 - s11 (x18 - x27): saved registers (more about those later)

ra寄存器

ra 是 "Return Address" 的缩写，在RISC-V中对应的是 x1 寄存器。它的主要作用是存储函数调用的返回地址。

1. 功能：
   • 存储函数调用后应该返回的地址
   • 使程序能够在函数执行完毕后正确地返回到调用点
2. 工作原理：
   • 当使用JAL（Jump and Link）指令调用函数时，ra寄存器会自动被设置为当前指令地址+4（即下一条指令的地址）
   • 函数执行完毕后，程序可以通过跳转到 ra 中存储的地址来返回到调用点
3. 使用场景：
   • 函数调用：在调用函数前，JAL指令会自动将返回地址存储在 ra 中
   • 函数返回：函数结束时，通常使用ret指令（实际上是 JALR x0, 0(ra) 的别名）来返回
4. 示例：

   main:
       # 其他代码
       jal ra, some_function  # 调用函数，ra被设置为返回地址
       # 函数返回后继续执行的代码
   
   some_function:
       # 函数代码
       ret  # 使用ra中的地址返回到调用点
   

5. 重要性：

   • 使用寄存器存储返回地址比使用内存更快
   • 简化了函数调用和返回的机制
   • 允许嵌套函数调用（通过在函数开始时保存ra到栈上）

6. 注意事项：

   • 如果函数内部会调用其他函数，需要在函数开始时保存ra的值，结束时恢复
   • 在一些调用约定中，ra被归类为"调用者保存"寄存器，意味着调用函数负责保存和恢复它的值
   • 调用者如何保存？
     • 类似于 sw ra, 0(sp) 的形式

Instruction Support for Functions

jal

JAL是"Jump and Link"的缩写，它是一个无条件跳转指令，主要用于函数调用。

1. 功能：
   • 跳转到指定地址
   • 将返回地址（下一条指令的地址）保存到目标寄存器中
2. 格式： JAL rd, offset
   • rd：目标寄存器，通常是x1（ra，返回地址寄存器）
   • offset：相对于当前PC的偏移量
3. 操作：
   • PC = PC + offset（跳转到新地址）
   • rd = PC + 4（保存返回地址）
4. 用途：
   • 主要用于函数调用
   • 可以实现远距离跳转（±1MB范围内）

jalr

JALR是"Jump and Link Register"的缩写，用于基于寄存器的跳转。

1. 功能：
   • 跳转到一个基址寄存器加上立即数偏移的地址
   • 将返回地址保存到目标寄存器中
2. 格式： JALR rd, offset(rs1)
   • rd：目标寄存器，用于保存返回地址
   • rs1：基址寄存器
   • offset：12位有符号立即数
3. 操作：
   • PC = (rs1 + offset) & ~1（跳转到计算出的地址，最低位置0）
   • rd = PC + 4（保存返回地址）
4. 主要用途：
   • 函数返回（当rd为x0时）
   • 间接跳转
   • 实现更复杂的跳转逻辑

jr是jalr的特例

JR实际上是JALR（Jump and Link Register）指令的一个特殊用法。在RISC-V中，没有单独的JR指令，而是使用JALR来实现相同的功能。

1. 功能：
   • 跳转到寄存器中存储的地址
2. 格式： JALR x0, 0(rs)
   • x0：零寄存器（丢弃返回地址）
   • rs：包含跳转目标地址的源寄存器
3. 操作：
   • PC = rs + 0（跳转到rs中的地址）
   • x0 = PC + 4（返回地址被丢弃）
4. 用途：
   • 常用于函数返回
   • 实现间接跳转

jal + jr

JAL和JR的配合使用

这两个指令通常配合使用来实现函数调用和返回：

1. 函数调用：

   JAL ra, function  # 调用函数，保存返回地址到ra（x1）
   

2. 函数返回：

   JALR x0, 0(ra)  # 相当于JR ra，返回到调用点
   

Function Call Example

Nested Calls and Register Convention

int sumSquare(int x, int y) { 
    return mult(x,x) + y; 
} 

• Something called sumSquare, now sumSquare is calling mult
• So there’s a value in ra that sumSquare wants to jump back to, but this will be overwritten by the call to mult
• Need to save sumSquare return address before call to mult – again, use stack

Register Conventions

motivation

When callee returns from executing, the caller needs to know which registers may have changed and which are guaranteed to be unchanged.

Register Conventions: A set of generally accepted rules as to which registers will be unchanged after a procedure call (jal) and which may be changed

Implementation

To reduce expensive loads and stores from spilling and restoring registers, RISC-V function-calling convention divides registers into two categories:

1. Preserved across function call
   • Caller can rely on values being unchanged
   • callee返回后肯定不会破坏这些rsg，因此我（caller）不需要对其进行保护
   • 我们称之为：callee-saved
   • sp, gp, tp: "saved registers" s0 - s11 (s0 is also fp)
2. Not preserved across function call
   • Caller cannot rely on values being unchanged
   • callee返回后或许会破坏这些rsg，因此我（caller）要想在调用callee后重用，需要在调用callee前保存这个值
   • 我们称之为：caller-saved
     • Argument/return registers a0 - a7, ra
     • temporary registers t0-t6

caller/callee

只需要记住一件事：callee-saved只包含 sp 和 s0-s11