組合語言轉換為機器語言的過程：

• 輸入：組合語言程式碼（例如 foo.s for RISC-V），這些程式碼可能包含偽指令（pseudoinstructions）。偽指令是一種高層次指令，最終會被轉換成具體的機器指令。
• 輸出：機器語言模組（object file，例如 foo.o for RISC-V）。這個物件文件包含機器碼，並且還包含一些連結和除錯所需的資訊，例如符號表（Symbol Table）、重定位資訊（Relocation Information）、數據段（Data Segment）等。
• 組譯器的工作：組譯器會讀取並使用 directives（指令），將偽指令轉換為真正的組合語言指令，最終生成機器碼。組譯器會產生一個 object file，這是最終用於執行的機器碼。

Directives 指令的作用：

• Directive 是一種告訴組譯器如何處理程式碼不同部分的指令。它不會生成機器指令，而是用來指示如何構建 object file。
• 常見的 Directives 包括：
  • .text：告訴組譯器接下來的項目屬於程式的文字段（text segment），也就是放置機器碼的區域。
  • .data：用來標示接下來的項目屬於資料段（data segment），這些數據會以二進制形式存儲在 object file 中。
  • .globl sym：將符號 sym 宣告為全域變數，可以從其他文件中被引用。
  • .string str：將字串 str 存入記憶體，並在字串末尾加上空字元以便終止。
  • .word w1 ... wn：將 n 個 32 位元數量依次存入記憶體。

Object File 格式：
Object file 是程式最終執行前的中間文件，包含不同的部分來支持連結和執行：

• Object File Header：記錄其他部分（如文字段、資料段）的大小和位置。
• Text Segment：存放程式的機器碼。
• Data Segment：存放靜態數據的二進制表示，如變數或常數的初始化數值。
• Symbol Table：列出文件中所有的標籤和靜態數據，這些數據可以被其他程式引用。例如，某些變數可能需要在其他模組中被訪問，或標籤可能需要在連結過程中用到。
• Relocation Information：需要稍後由連結器修正的程式碼行，這是因為在程式組譯的時候，某些外部的符號地址還無法確定，必須在最終的連結階段進行修正。

生成機器碼的過程：

• 簡單情況：對於一些簡單的算術運算、邏輯操作、位移等，所有必要的資訊都已包含在指令內部。例如，指令 add x18, x18, x10 和 addi x19, x19, -1，這些指令的操作數和結果都可以直接從指令本身中解讀出來。
• PC-relative 分支和跳轉：例如，beq、bne 和 jal 等指令需要計算跳轉到標籤的位移（offset）。在這些情況下，指令中的位移是相對於當前程式計數器（PC）的。當 pseudoinstructions 被替換為實際指令後，所有基於 PC 的位址計算都能被執行。

PC-Relative 地址計算的雙遍法：

• 當編譯器處理程式中的標籤時，會面臨一個「forward reference」（前向引用）問題，這是指程式中後面定義的標籤在前面的指令中被引用，這使得在單次遍歷中無法確定正確的位移。
• 雙遍法解決這個問題：
  • 第一次遍歷：紀錄標籤的位置，將它們存放在符號表（symbol table）中。
  • 第二次遍歷：根據標籤的位置生成機器碼，計算相對位移。

處理其他引用：

• 對其他文件的引用：例如從 C 程式庫中調用 strlen 函數，這需要知道 strlen 函數的地址。
• 對靜態數據的引用：例如指令 la 會被分解成 lui 和 addi，這些需要完整的 32 位地址。
• 這些地址在組譯過程中尚未確定，因此組譯器會將這些資訊記錄在重定位資訊（Relocation Information）和符號表（Symbol Table）中，以便在連結階段進行修正。

完整的 Object File 結構：

• File Header：包含檔案的基本資訊，如大小和位置信息。
• Text Segment：包含機器碼，這是程式的核心部分。
• Data Segment：靜態數據的二進制表示，如全域變數、常數等。
• Symbol Table：記錄程式中的所有標籤和靜態變數，這些變數可以被其他模組引用。
• Relocation Information：指出需要在連結階段修正的程式碼部分。
• Debugging Information：用來支持除錯工具，協助開發者跟蹤程式執行。