Программирование на языке Assembler

Набор инструкций архитектуры (ISA) RISC-V, который обсуждался ранее, является основой для программирования на языке Assembler. Однако не очень удобно реализовывать программу исключительно на уровне ISA. По этой причине компилятор языка Assembler для RISC-V предоставляет различные псевдо-инструкции и директивы, которые облегчают разработку программ.

К концу этой лекции вы будете:

• понимать и уметь использовать метки и директивы;
• понимать и уметь использовать псевдо-инструкции;
• знать, почему и как использовать бинарный интерфейс приложений (application binary interface, ABI);
• уметь реализовывать поток выполнения программ.

Метки в языке Assembler

Первое, что облегчает разработку кода на языке Assmebler, это метки. Метки служат для идентификации мест в программном коде, они используются в качестве смещений и непосредственных значений адресов.

Под меткой понимается символьная последовательность, оканчивающаяся двоеточием. Также существует особая разновидность меток - числовые метки, - это локальные метки, которые могут быть заданы с суффиксами 'f' для перехода вперёд и 'b' для перехода назад.

Пример показан ниже:

1: 
    j 1b
    j 1f
1: 

Первый переход выполнится на метку 1 выше кода, потому что указан суффикс 'b', второй переход выполнится на метку 1 ниже кода, потому что указан суффикс 'f'.

Компилятор языка Assembler преобразует метки в непосредственные значения адресов.

Рассмотрим следующий пример:

    addi x1, x0, 1
    beq  x1,x0, there
    addi x1, x1, 1
there:
    addi x1, x1, 1

Компилятор переводит программу в машинные коды и вставляет смещения, ассоциируемые с метками:

0x0:        00100093        addi x1 x0 1
0x4:        00008463        beq x1 x0 8 <there>
0x8:        00108093        addi x1 x1 1

0000000c <there>:
0xc:        00108093        addi x1 x1 1

Адресация с использованием меток

Если мы посмотрим на базовый набор RV32I ISA, можно увидеть, что адресация по всему адресному пространству может потребовать более одной инструкции: инструкции auipc и lui используются для загрузки старшей части непосредственного значения адреса в регистр, а для загрузки младшей части в регистр используется инструкция addi. Таким образом, требуется некий механизм разделения адресов меток на старшую и младшую составляющие.

Функции переразмещения %hi(symbol) и %lo(symbol) разделяют адрес метки на младшую и старшую части. Компоновщик (линковщик) размещает программу в памяти и назначает адреса соответствующим символам. Таким образом, код:

        lui  x1, %hi(there)         #absolute higher 20 bits
        addi x1, x1, %lo(there)     #absolute lower 12 bits
there:

транслируется в код:

0x10078:    lui  x1,0x10
0x1007c:    addi x1,x1,128 # 10080 <there>

Адрес метки there после размещения имеет адрес 0x10080. Функции %hi и %lo используются для задания корректных адресов в регистре x1.

Ещё одним примером функций переразмещения являются функции адресации, относительной значения программного счётчика. К ним относятся функции %pcrel_hi(symbol) и %pcrel_lo(label), которые работают вместе с инструкциями auipc и addi. Однако, поскольку адресация относительная, они используются отличным от глобальной адресации способом. Так, компилятор сгенерирует из такого кода:

1:  auipc x1, %pcrel_hi(there)#relative higher 20 bits
    addi  x1, x1, %pcrel_lo(1b)#relative lower 12 bits label 1 backwards
there:

следующий код:

1:
0x10078:	auipc x1,0x0
0x1007c:	addi x1,x1,8 # 10080 <there>

В этом примере также адрес метки there равен 0x10080. Инструкция auipc должна добавить 0x0 к значению программного счётчика 0x10078 для получения старшей части адреса метки 'there'. Результат инструкции auipc - число 0x10078 в регистре x1. Инструкция addi добавляет число 8 к регистру x1, поскольку 8 - это младшая часть разницы адресов меток there и 1.

Однако работа с функциями переразмещения вручную - работа громоздкая, поэтому чаще всего вместо них используют псевдоинструкции.

Директивы языка Assembler

Директивы языка предоставляют компилятору информацию о том, как должен интерпретироваться текст, следующий за директивой: это данные или код. Все директивы начинаются с точки.

В таблице 4.1 ниже приводится перечень наиболее часто употребляемых директив: