RISC-V 汇编语言语法参考手册¶
本手册基于 lab5 课程实验内容编写，涵盖 RISC-V (RV64) 汇编的核心语法、指令集、函数调用约定及实例分析。
目录¶
1. RISC-V 简介¶
1.1 什么是 RISC-V？¶
RISC-V 是一种基于精简指令集计算机 (RISC) 原则设计的开源指令集架构 (ISA)。它起源于 2010 年加州大学伯克利分校，采用简洁、模块化的设计理念。
1.2 特点¶
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 模块化 | 基础指令集 + 可选扩展，灵活组合 |
| 开源 | 完全免费，无专利壁垒 |
| 简洁 | 指令格式规整，易于实现 |
| 可扩展 | 支持自定义指令扩展 |
| 64位支持 | 原生支持 RV64，兼容 RV32 |
1.3 常见扩展¶
| 扩展名 | 全称 | 包含指令 |
|---|---|---|
| RV64I | 64位基础整数指令集 | 算术、逻辑、分支、加载/存储等 |
| M | 乘除法扩展 | mul, div, rem |
| F | 单精度浮点 | 浮点运算指令 |
| D | 双精度浮点 | 双精度浮点运算 |
| A | 原子操作 | 原子读-改-写指令 |
| C | 压缩指令 | 16位短指令 |
本 lab 主要使用 RV64IM（基础整数 + 乘除法扩展）。
2. 寄存器体系¶
2.1 通用寄存器¶
RISC-V 有 32 个通用寄存器 (x0 ~ x31)，每个 64 位宽 (RV64)。
| 寄存器 | ABI 名称 | 用途说明 | 调用约定 |
|---|---|---|---|
x0 |
zero |
硬连线为常数 0，写入无效 | — |
x1 |
ra |
返回地址 (Return Address) | 调用者保存 |
x2 |
sp |
栈指针 (Stack Pointer) | 被调用者保存 |
x3 |
gp |
全局指针 (Global Pointer) | — |
x4 |
tp |
线程指针 (Thread Pointer) | — |
x5 |
t0 |
临时寄存器/链接寄存器 | 调用者保存 |
x6~x7 |
t1~t2 |
临时寄存器 | 调用者保存 |
x8 |
s0 / fp |
保存寄存器 / 帧指针 | 被调用者保存 |
x9 |
s1 |
保存寄存器 | 被调用者保存 |
x10~x11 |
a0~a1 |
函数参数 / 返回值 | 调用者保存 |
x12~x17 |
a2~a7 |
函数参数 | 调用者保存 |
x18~x27 |
s2~s11 |
保存寄存器 | 被调用者保存 |
x28~x31 |
t3~t6 |
临时寄存器 | 调用者保存 |
2.2 特殊寄存器¶
| 寄存器 | 说明 |
|---|---|
pc |
程序计数器 (Program Counter)，指向当前指令地址 |
fflags |
浮点异常标志 (F 扩展) |
frm |
浮点舍入模式 (F 扩展) |
2.3 寄存器命名约定¶
3. 汇编文件结构¶
3.1 基本结构¶
一个 RISC-V 汇编文件通常包含以下部分：
.section .text # 代码段
.globl function_name # 声明为全局可见
.type function_name, @function # 声明为函数类型
function_name: # 函数标签
# 指令代码 ...
.section .rodata # 只读数据段 (Read-Only Data)
msg:
.string "Hello!\n" # 定义字符串
.word 1, 2, 3 # 定义 32 位整数数组
.data # 可读写数据段
var:
.quad 0x1234 # 定义 64 位变量
buffer:
.space 256 # 分配 256 字节空间，未初始化
.bss # 未初始化数据段
.comm large_buf, 4096 # 声明 4096 字节全局缓冲区
3.2 常用汇编指示符 (Directives)¶
| 指示符 | 含义 | 示例 |
|---|---|---|
.text |
后续内容属于代码段 | .text |
.data |
后续内容属于数据段 | .data |
.rodata |
后续内容属于只读数据段 | .section .rodata |
.bss |
后续内容属于未初始化数据段 | .bss |
.globl |
声明符号为全局可见 | .globl my_func |
.type |
声明符号类型 | .type my_func, @function |
.size |
声明符号大小 | .size my_func, .-my_func |
.align |
对齐到 2^n 字节边界 | .align 3 (对齐到 8 字节) |
.word |
定义 32 位数据 | .word 0x12345678 |
.quad |
定义 64 位数据 | .quad 0x123456789ABCDEF0 |
.byte |
定义 8 位数据 | .byte 0xAB |
.string |
定义字符串 (自动加 \0) |
.string "hello" |
.asciz |
同上，定义以 null 结尾的字符串 | .asciz "world" |
.space |
分配空间（字节数） | .space 100 |
.option pic |
启用位置无关代码 | .option pic |
.file |
指定源文件名（编译器生成） | .file "acc.c" |
.ident |
编译器标识信息 | .ident "GCC: (Ubuntu)..." |
3.3 从 lab5 实例看文件结构¶
acc_plain.s（编译器生成的未优化版本）：
.file "acc.c" # 源文件信息
.option pic # 位置无关代码
.text # 代码段
.align 1 # 2 字节对齐
.globl acc # 全局可见
.type acc, @function # 声明为函数
acc:
# ... 函数体 ...
.size acc, .-acc # 计算函数大小
.ident "GCC: ..." # 编译器信息
.section .note.GNU-stack,"",@progbits # 栈不可执行标记
switch.s（含跳转表）：
.text
.globl switch_eg
switch_eg:
# ... 指令代码 ...
.section .rodata # 跳转表放在只读数据段
.align 2 # 4 字节对齐
.L4:
.word .L7-.L4 # 相对偏移（PC 相对）
.word .L6-.L4
# ...
4. 指令格式分类¶
4.1 六种基本格式¶
RISC-V 所有指令都遵循规整的编码格式，这是其简洁性的核心：
R-type: [funct7][rs2][rs1][funct3][rd][opcode]
31-25 24-20 19-15 14-12 11-7 6-0
I-type: [imm[11:0]][rs1][funct3][rd][opcode]
31-20 19-15 14-12 11-7 6-0
S-type: [imm[11:5]][rs2][rs1][funct3][imm[4:0]][opcode]
31-25 24-20 19-15 14-12 11-7 6-0
B-type: [imm[12|10:5]][rs2][rs1][funct3][imm[4:1|11]][opcode]
31-25 24-20 19-15 14-12 11-7 6-0
U-type: [imm[31:12]][rd][opcode]
31-12 11-7 6-0
J-type: [imm[20|10:1|11|19:12]][rd][opcode]
31-12 11-7 6-0
4.2 各类格式对应的指令¶
| 格式 | 指令类型 | 示例指令 |
|---|---|---|
| R | 寄存器-寄存器运算 | add, sub, sll, mul, div, and, or, xor, slt |
| I | 立即数运算 / 加载 | addi, slli, andi, ori, xori, slti, ld, lw, lbu |
| S | 存储 | sd, sw, sh, sb |
| B | 条件分支 | beq, bne, blt, bge, bltu, bgeu |
| U | 长立即数（高20位） | lui, auipc |
| J | 无条件跳转 | jal |
5. 核心指令详解¶
5.1 算术运算指令¶
加法¶
# ---- 寄存器加法 (R型) ----
add rd, rs1, rs2 # rd = rs1 + rs2
# 示例
add t0, t1, t2 # t0 = t1 + t2
add a0, a0, a5 # a0 += a5 （累加）
# ---- 立即数加法 (I型) ----
addi rd, rs1, imm # rd = rs1 + sign_ext(imm)
# 示例
addi sp, sp, -48 # sp = sp - 48 （分配栈空间）
addi a5, a5, 1 # a5 = a5 + 1 （a5++）
addi t2, t2, -1 # t2 = t2 - 1 （递减）
addi a1, a1, 1 # a1 = a1 + 1 （递增）
减法¶
# ---- 寄存器减法 (R型) ----
sub rd, rs1, rs2 # rd = rs1 - rs2
# 示例
sub t0, t1, t2 # t0 = t1 - t2
sub t0, a1, s0 # t0 = a1 - s0
乘法 (RV64M 扩展)¶
# ---- 乘法 (R型) ----
mul rd, rs1, rs2 # rd = (rs1 * rs2)[63:0]（结果的低64位）
# 示例
mul a0, a0, a4 # a0 = a0 * a4
mul a5, a4, a5 # a5 = a4 * a5
# 其他乘法指令
mulh rd, rs1, rs2 # rd = (rs1 * rs2)[127:64]（有符号高位）
mulhu rd, rs1, rs2 # rd = (rs1 * rs2)[127:64]（无符号高位）
mulhsu rd, rs1, rs2 # rd = (rs1 * rs2)[127:64]（有符号×无符号高位）
除法与取模 (RV64M 扩展)¶
# ---- 除法 ----
div rd, rs1, rs2 # rd = rs1 / rs2 （有符号整数除法）
divu rd, rs1, rs2 # rd = rs1 / rs2 （无符号整数除法）
# ---- 取模 ----
rem rd, rs1, rs2 # rd = rs1 % rs2 （有符号取模）
remu rd, rs1, rs2 # rd = rs1 % rs2 （无符号取模）
5.2 逻辑运算指令¶
按位与¶
# ---- 寄存器与 ----
and rd, rs1, rs2 # rd = rs1 & rs2
# ---- 立即数与 ----
andi rd, rs1, imm # rd = rs1 & sign_ext(imm)
# 示例
andi t3, t0, 15 # t3 = t0 & 0x0F （取低4位）
andi a1, a0, 1 # a1 = a0 & 1 （判断奇偶）
按位或¶
# ---- 寄存器或 ----
or rd, rs1, rs2 # rd = rs1 | rs2
# ---- 立即数或 ----
ori rd, rs1, imm # rd = rs1 | sign_ext(imm)
按位异或¶
# ---- 寄存器异或 ----
xor rd, rs1, rs2 # rd = rs1 ^ rs2
# ---- 立即数异或 ----
xori rd, rs1, imm # rd = rs1 ^ sign_ext(imm)
# 示例
xor t0, t0, t2 # t0 ^= t2 （phase_2 中的异或累加）
xori a0, a0, 13 # a0 ^= 13 （phase_3 中的异或操作）
移位操作¶
# ---- 逻辑左移 ----
sll rd, rs1, rs2 # rd = rs1 << rs2 （寄存器左移）
slli rd, rs1, imm # rd = rs1 << imm （立即数左移）
# ---- 逻辑右移 ----
srl rd, rs1, rs2 # rd = rs1 >> rs2 （高位补0）
srli rd, rs1, imm # rd = rs1 >> imm
# ---- 算术右移 ----
sra rd, rs1, rs2 # rd = rs1 >> rs2 （高位补符号位）
srai rd, rs1, imm # rd = rs1 >> imm
# 示例
slli a5, a5, 2 # a5 = a5 << 2 （乘以4，用于字对齐地址计算）
slli t0, s2, 2 # t0 = s2 * 4 （数组索引转字节偏移）
srli t1, a0, 3 # a0 右移 3 位 （phase_3 中的位操作）
slli t0, a0, 7 # a0 左移 7 位 （phase_3 中的位操作）
5.3 数据传输指令（加载与存储）¶
加载指令 (I型)¶
# RV64 下的加载指令（所有加载到 rd 的都是 I 型）
ld rd, offset(rs1) # 加载 64 位双字 (Doubleword)
lw rd, offset(rs1) # 加载 32 位字，符号扩展至 64 位 (Word)
lwu rd, offset(rs1) # 加载 32 位字，零扩展至 64 位
lh rd, offset(rs1) # 加载 16 位半字，符号扩展 (Halfword)
lhu rd, offset(rs1) # 加载 16 位半字，零扩展
lb rd, offset(rs1) # 加载 8 位字节，符号扩展 (Byte)
lbu rd, offset(rs1) # 加载 8 位字节，零扩展
# 示例 (来自 lab5)：
lw a5, 0(a5) # 从跳转表加载 32 位值：a5 = *(int*)(a5)
ld a5, -40(s0) # 从栈上加载 64 位值：a5 = *(long long*)(s0-40)
ld a4, -32(s0) # 从栈上加载累加结果
lbu t2, 0(t1) # 加载 1 字节（无符号）：t2 = *(unsigned char*)(t1)
存储指令 (S型)¶
# RV64 下的存储指令
sd rs2, offset(rs1) # 存储 64 位双字
sw rs2, offset(rs1) # 存储 32 位字
sh rs2, offset(rs1) # 存储 16 位半字
sb rs2, offset(rs1) # 存储 8 位字节
# 示例 (来自 lab5)：
sd a0, -40(s0) # 将参数 a0 保存到栈上偏移 -40 处
sd a1, -48(s0) # 将参数 a1 保存到栈上偏移 -48 处
sd zero, -32(s0) # 将 0 保存到栈上 (res = 0)
sd a5, -24(s0) # 将循环变量保存到栈上
5.4 条件分支指令 (B型)¶
比较并跳转¶
# ---- 相等 / 不等 ----
beq rs1, rs2, label # if (rs1 == rs2) goto label
bne rs1, rs2, label # if (rs1 != rs2) goto label
# ---- 小于（有符号）----
blt rs1, rs2, label # if (rs1 < rs2) goto label
# ---- 小于（无符号）----
bltu rs1, rs2, label # if (rs1 < rs2) goto label （无符号比较）
# ---- 大于等于（有符号）----
bge rs1, rs2, label # if (rs1 >= rs2) goto label
bgeu rs1, rs2, label # if (rs1 >= rs2) goto label （无符号比较）
# 示例 (来自 lab5)：
ble a4, a5, .L3 # if (a4 <= a5) goto .L3 （循环条件判断）
bne a5, zero, .L2 # if (a5 != 0) goto .L2 （if 分支）
bne a5, a1, .L3 # if (a5 != a1) goto .L3 （循环末尾判断）
beq a5, zero, .L1 # if (a5 == 0) goto .L1 （基础情况）
bgt a0, a1, .L4 # if (a0 > a1) goto .L4 （acc 优化版中的边界检查）
bgtu a5, a4, .L8 # if (a5 > a4) goto .L8 （switch 中的范围检查，无符号）
bne t3, t4, 2f # if (t3 != t4) goto 2f （字符串比较）
5.5 无条件跳转指令¶
跳转并链接 (J型 / I型)¶
# ---- 跳转并链接 (J型，PC相对) ----
jal rd, label # rd = PC+4; goto label
# 通常 rd = ra (x1) 用于函数调用
# ---- 跳转并链接寄存器 (I型，寄存器相对) ----
jalr rd, offset(rs1) # rd = PC+4; goto rs1 + offset
# 示例：
jal ra, factor # 调用 factor 函数
jal ra, fibonacci # 调用 fibonacci 函数
jal ra, acc # 调用 acc 函数
函数返回¶
# ---- 返回 (伪指令 ret 等价于 jalr zero, ra, 0) ----
ret # goto ra (函数返回)
# 等价于
jalr zero, ra, 0 # 不保存返回地址，直接跳转到 ra
# 或者使用 jr（也是伪指令）
jr ra # goto ra
# 示例 (来自 lab5)：
ret # 函数末尾返回
jr ra # 另一种写法
无条件跳转（伪指令）¶
# ---- 无条件跳转 (伪指令 j 等价于 jal zero, label) ----
j label # goto label
# 等价于
jal zero, label
# 示例 (来自 lab5)：
j .L2 # 跳转到 .L2 标签
j .L3 # 跳转到 .L3 标签
j 3f # 跳转到前向标签 3
5.6 比较并置位指令¶
# ---- 有符号小于置位 (R型) ----
slt rd, rs1, rs2 # rd = (rs1 < rs2) ? 1 : 0
# ---- 无符号小于置位 ----
sltu rd, rs1, rs2 # rd = (rs1 < rs2) ? 1 : 0 （无符号）
# ---- 立即数版本 (I型) ----
slti rd, rs1, imm # rd = (rs1 < imm) ? 1 : 0
sltiu rd, rs1, imm # rd = (rs1 < imm) ? 1 : 0 （无符号）
5.7 加载立即数¶
# ---- 加载高位立即数 (U型) ----
lui rd, imm20 # rd = imm20 << 12 （加载高 20 位，低 12 位为 0）
# ---- 加载 PC 相对地址 (U型) ----
auipc rd, imm20 # rd = PC + (imm20 << 12)
# ---- 伪指令 li (load immediate) ----
li rd, immediate # 加载任意 64 位立即数
# 汇编器自动拆分为多条指令
# 示例 (来自 lab5)：
li a0, 1 # a0 = 1
li a0, 0 # a0 = 0
li a4, 6 # a4 = 6 （switch 范围上限）
li a5, 1 # a5 = 1
5.8 地址加载伪指令¶
# ---- 加载地址 (伪指令) ----
la rd, label # rd = label 的地址
# ---- 加载 PC 相对地址 (伪指令) ----
lla rd, label # rd = label 的地址（使用 PC 相对寻址）
# 等价于 auipc + addi
# 示例 (来自 lab5)：
lla a4, .L4 # a4 = 跳转表 .L4 的地址 （用于 switch 跳转表）
la t1, expect # t1 = expect 数组的首地址 （phase_3 中的字符串比较）
6. 伪指令¶
伪指令是汇编器提供的"语法糖"，会被自动翻译成一条或多条真实指令。
6.1 常用伪指令一览¶
| 伪指令 | 等价指令 | 说明 |
|---|---|---|
nop |
addi x0, x0, 0 |
空操作 |
li rd, imm |
多条指令组合 | 加载任意立即数 |
la rd, label |
auipc rd, ... + 其他 |
加载符号地址 |
lla rd, label |
auipc rd, ... + addi |
加载 PC 相对地址 |
mv rd, rs |
addi rd, rs, 0 |
寄存器复制 |
neg rd, rs |
sub rd, x0, rs |
取负 |
negw rd, rs |
subw rd, x0, rs |
字取负 (RV64) |
not rd, rs |
xori rd, rs, -1 |
按位取反 |
seqz rd, rs |
sltiu rd, rs, 1 |
判断是否等于零 |
snez rd, rs |
sltu rd, x0, rs |
判断是否不等于零 |
sltz rd, rs |
slt rd, rs, x0 |
判断是否小于零 |
sgtz rd, rs |
slt rd, x0, rs |
判断是否大于零 |
bnez rs, label |
bne rs, x0, label |
不等于零跳转 |
beqz rs, label |
beq rs, x0, label |
等于零跳转 |
blez rs, label |
ble rs, x0, label |
≤ 0 跳转 |
bgez rs, label |
bge rs, x0, label |
≥ 0 跳转 |
bltz rs, label |
blt rs, x0, label |
< 0 跳转 |
bgtz rs, label |
bgt rs, x0, label |
> 0 跳转 |
bgt rs1, rs2, label |
blt rs2, rs1, label |
大于跳转 |
ble rs1, rs2, label |
bge rs2, rs1, label |
小于等于跳转 |
bgtu rs1, rs2, label |
bltu rs2, rs1, label |
无符号大于跳转 |
bleu rs1, rs2, label |
bgeu rs2, rs1, label |
无符号小于等于跳转 |
j label |
jal x0, label |
无条件跳转 |
jal label |
jal x1, label |
函数调用（隐式 ra） |
call label |
jal ra, label |
函数调用（远程） |
ret |
jalr x0, ra, 0 |
函数返回 |
jr rs |
jalr x0, rs, 0 |
跳转到寄存器地址 |
jalr rs |
jalr x1, rs, 0 |
间接调用 |
6.2 lab5 中使用的伪指令示例¶
# mv — 寄存器复制
mv a5, a0 # a5 = a0 （保存参数）
mv a0, a5 # a0 = a5 （设置返回值）
mv s1, a0 # s1 = a0 （保存 fib(n-1) 的结果）
# li — 加载立即数
li a0, 0 # a0 = 0 （设置返回值 0）
li a5, 1 # a5 = 1 （加载常数 1）
li a4, 6 # a4 = 6 （加载常数 6）
# ret — 函数返回
ret # 从函数返回
# j — 无条件跳转
j .L2 # 跳转到标签 .L2
j .L3 # 跳转到标签 .L3
# lla — 加载 PC 相对地址
lla a4, .L4 # 加载跳转表地址
7. 函数调用约定¶
7.1 参数传递规则¶
| 参数位置 | 寄存器 | 说明 |
|---|---|---|
| 第1个参数 | a0 (x10) |
整数/指针 |
| 第2个参数 | a1 (x11) |
整数/指针 |
| 第3个参数 | a2 (x12) |
整数/指针 |
| 第4个参数 | a3 (x13) |
整数/指针 |
| 第5个参数 | a4 (x14) |
整数/指针 |
| 第6个参数 | a5 (x15) |
整数/指针 |
| 第7个参数 | a6 (x16) |
整数/指针 |
| 第8个参数 | a7 (x17) |
整数/指针 |
| 更多参数 | 栈上传递 | 从右到左压栈 |
7.2 返回值¶
| 返回值大小 | 寄存器 |
|---|---|
| ≤ 64 位 | a0 |
| 128 位 | a0 (低64位) + a1 (高64位) |
7.3 寄存器保存约定¶
调用者保存 (Caller-saved) — 调用前若值还要用，需自行保存到栈上：
- ra (x1) — 返回地址
- t0~t6 (x5~x7, x28~x31) — 临时寄存器
- a0~a7 (x10~x17) — 参数寄存器
被调用者保存 (Callee-saved) — 被调函数若使用，必须保存并恢复：
- sp (x2) — 栈指针
- s0~s11 (x8~x9, x18~x27) — 保存寄存器
7.4 函数调用栈帧模板¶
标准函数（需要保存寄存器）¶
# === 函数序言 (Prologue) ===
func_name:
addi sp, sp, -FRAMESIZE # 分配栈帧空间（FRAMESIZE = 保存的寄存器数 × 8 + 局部变量大小）
sd ra, OFFSET_RA(sp) # 保存返回地址
sd s0, OFFSET_S0(sp) # 保存被调用者保存寄存器
sd s1, OFFSET_S1(sp) # （根据需要使用）
# ... 可选的更多 sd ...
# === 函数体 ===
# ... 实际功能代码 ...
# === 函数尾声 (Epilogue) ===
ld ra, OFFSET_RA(sp) # 恢复返回地址
ld s0, OFFSET_S0(sp) # 恢复寄存器
# ... 保存了多少 sd，就用多少 ld 恢复 ...
addi sp, sp, FRAMESIZE # 回收栈帧
ret # 返回
示例：factor_plain.s 中的递归函数¶
factor:
addi sp, sp, -32 # 分配 32 字节栈帧
sd ra, 24(sp) # 保存返回地址
sd s0, 16(sp) # 保存 s0
addi s0, sp, 32 # 设置帧指针 s0 = old sp
sd a0, -24(s0) # 将参数 n 保存到栈上
ld a5, -24(s0) # 加载 n
bne a5, zero, .L2 # if (n != 0) goto 递归分支
li a5, 1 # else return 1
j .L3
.L2:
ld a5, -24(s0) # 加载 n
addi a5, a5, -1 # a5 = n - 1
mv a0, a5 # 设置参数 a0 = n-1
call factor # 递归调用 factor(n-1)
mv a4, a0 # a4 = factor(n-1)
ld a5, -24(s0) # 加载 n
mul a5, a4, a5 # a5 = factor(n-1) * n
.L3:
mv a0, a5 # 设置返回值
ld ra, 24(sp) # 恢复返回地址
ld s0, 16(sp) # 恢复 s0
addi sp, sp, 32 # 回收栈帧
jr ra # 返回
示例：acc_plain.s 中的栈帧使用¶
```asm acc: addi sp, sp, -48 # 分配 48 字节栈帧 sd s0, 40(sp) # 保存 s0 addi s0, sp, 48 # 帧指针指向栈顶
sd a0, -40(s0) # 栈上保存参数 a (a0)
sd a1, -48(s0) # 栈上保存参数 b (a1)
sd zero, -32(s0) # res = 0 （存栈上）
ld a5, -40(s0) # a5 = a
sd a5, -24(s0) # i = a （存栈上）
j .L2 # 跳转到条件判断
.L3: # 循环体 ld a4, -32(s0) # a4 = res ld a5, -24(s0) # a5 = i add a5, a4, a5 # a5 = res + i sd a5, -32(s0) # res = res + i ld a5, -24(s0) # a5 = i addi a5, a5,