本文目標

• 認識暫存器
• 建立 Callee save 與 Caller save 的觀念
• 了解呼叫慣例

進入正題

下圖列舉了 RISC-V 處理器中的通用暫存器:

針對上圖，筆者針對一些可能會有疑問的點進行補充:

• x0 暫存器

  x0 暫存器的數值為 0 且無法更動，我們可以利用他做到類似 mov 的作用:

  add a0 a1, x0  # a0 = a1
  

• Return Address

  Return Address 存放函式執行結束時返回的位置，假設，有兩個函式 a, b :

  main() -> a()
  a() -> b()
  

  因為 main() 呼叫了函式 a()，在跳進函式 a() 執行前，main() 會將 ra 暫存器的值放到 Stack 上。
  此時，如果函式 a() 又呼叫了函式 b()，在呼叫之前我們會將函式 a() 的 return address 儲存到 Stack，避免 ra 暫存器被函式 b() 複寫後無法返回到 main() 繼續執行。由此可知，ra 由呼叫者維護暫存器的狀態，這類特性的暫存器都是 Caller save。
  在這邊如果不考慮 Stack pointer，Stack 內部看起來會是:

     +------------------------------+
     |   Data stored by function b  |
     +------------------------------+
     | Return Address of function a |
     +------------------------------+
     |     Return Address of main   |
   --+------------------------------+--
  

• Stack pointer

  然而，每個 Process 都會有屬於自己的區域變數，這些變數同樣會被存放在 Stack 中，Stack pointer 會指向 Stack 中屬於此 Process 的位址。
  不過，這部分與 ra 會些不同，sp 暫存器被定義為 Callee save，當被呼叫的函式修改 sp 暫存器的內容之前，必須先將內容保存下來，並在函式返回前恢復原本的值。
  如果以 main() 呼叫 function a() 來看，流程如下:

  main() 將當前 ra 的值放到 stack -> 進入 function a() -> 將 sp 的值存放到 stack -> 移動 sp 的位址 (Scope of function a) -> 一些運算 -> 返回到 main 之前恢復 sp 的值 -> 跳回 main() -> 恢復 main() 的 ra

• Function args: a0-a7 (x10-x17)

  a0-a7 共 8 個暫存器可供我們用於存取函式的參數值，當我們呼叫函式時，函式的參數會依序的存放到這些暫存器中。

• Return values: a0-a1

  a0, a1 暫存器除了會被當作 args 使用，當函式需要有 return value 時，我們可以將 return value 存放至 a0 與 a1 暫存器，供其他函式取得返回值。

總結

本篇文章介紹了 RISC-V 之中常用的暫存器，包含了:

• 每個暫存器的特殊用途
• 呼叫函式的前後該如何保存各個暫存器的內容

以上兩點其實就是 RISC-V 的 Calling convention (呼叫慣例)，這些規範在編譯器的實作上都能看到，理解它更有助於嵌入式的系統軟體開發。

Reference

• RISC-V 指令集架構介紹 - Integer Calling convention
• RISC-V 中文手冊