RISC-V 64 Assembly Essentials

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1. RV64IMAC アセンブリ入門 Latte72 (@Latte72R)
2. 00 はじめに 自己紹介 名前: Latte72 興味分野 所属: 慶應義塾大学理工学部 低レイヤー全般 X / GitHub: @Latte72R 自作 OS HP: https://latte72.net/ 自作コンパイラ 自作 CPU 2
3. 01 はじめに
4. 01 はじめに このスライドの内容 書いてあること RISC-V とは何か RV64IMAC アセンブリの基礎文法 レジスタ・関数・分岐の書き方 書いていないこと C 言語の文法そのもの 発展的な最適化・特権命令 RISC-V 以外のアーキテクチャについて 4
5. 01 はじめに 対象読者 対象の読者 RV64IMAC アセンブリの基礎文法を学びたい方 C 言語の簡単な処理をアセンブリに書き換えたい方 対象でない読者 発展的な最適化や特権命令を学びたい方 C 言語の文法を学びたい方 x86-64 や Arm64 などのアーキテクチャについて学びたい方 5
6. 01 はじめに まずは 8 × 9 を計算してみる C 言語での 8 × 9 の計算 1 2 3 int main() { return 8 * 9; } C RISC-V での 8 × 9 の計算 1 2 3 4 5 6 .globl main main: li a0, 8 li a1, 9 mul a0, a0, a1 ret RV64 # a0 = 8 # a1 = 9 # a0 = a0 * a1 # a0 を返して戻る まだわからなくて大丈夫 6
7. 01 はじめに GAS 記法について GNU アセンブラ (GAS) の記法を使う このスライドでは RV64IMAC の命令を GAS の記法で解説する コメントは # で書く main を外部から参照できるように .globl main と書く レジスタは ABI 名 (a0, ra, sp …) で書く 7
8. 02 RISC-V とは
9. 02 RISC-V とは アセンブリ言語とは C や Python より ハードウェアに近い 言語 CPU には様々な種類がある x86-64, Arm64, RISC-V, MIPS … 同じ C の処理でも，CPU によって使う命令は異なる アセンブリは，その CPU の命令を人が読める名前で書いたもの 9
10. 02 RISC-V とは RV64IMAC って何？ RV64: 整数レジスタと基本的な演算の幅が 64bit I: 整数の基本命令 (土台) M: かけ算・わり算 (mul / div / rem) A: アトミック操作 (マルチコアの同期用) C: 16bit の短い命令 (コードを小さくできる) RV64I を土台に M・A・C の拡張を加えた構成 10
11. 02 RISC-V とは RISC-V の誕生 2010 年に UC Berkeley で開発が始まった Krste Asanović と大学院生が開発を開始 David Patterson は当時の研究プロジェクト責任者 オープンで無償で利用できる ISA 名前の V は Berkeley の RISC 研究の第 5 世代を表す 11
12. 02 RISC-V とは 命令の長さは基本 32bit 同じ加算を表す 1 命令の長さ 通常の命令 addi a0, a0, 1 C 拡張の命令 c.addi a0, 1 0x1000 32bit = 4B 16bit = 2B 0x1002 0x1004 C 拡張では，短縮できる 1 命令の長さが半分 になる 例えば，加算は addi なら 32 bit だが，c.addi なら 16 bit の 1 命令で書ける 命令の開始位置は 16bit 単位となり，32bit 境界とは限らない 短縮できない命令もあるため，コード全体では典型的に 25〜30% 減る 12
13. 02 RISC-V とは 命令の形式 基本の 32bit 命令には 6 種類の形式がある ← 31ビット 0ビット → R funct7 I imm[11:5] 12 imm[10:5] U J rs1 f3 rd opcode add / sub / and rs1 f3 rd opcode addi / lw / jalr rs2 rs1 f3 imm[4:0] opcode sw / sd rs2 rs1 f3 imm[4:1] imm[11:0] S B rs2 imm[31:12] (20bit) 20 imm[10:1] 即値の符号ビットは左端 (31bit目) 11 imm[19:12] 即値 レジスタ 11 opcode beq / blt rd opcode lui / auipc rd opcode jal opcode 13
14. 03 命令とレジスタ
15. 03 命令とレジスタ Load-Store アーキテクチャ メモリの値はそのままでは計算に使えない レジスタファイル lw / ld で読む a0 = 8 0x1000: 8 a1 = 9 0x1004: 9 sw / sd で書く t0 = … ALU (演算) メモリ 値を渡す → ← 結果を書き戻す 0x1008: … 演算命令はメモリを直接指定しない 計算に使う値はレジスタに置く．メモリとは load / store でやり取りする 15
16. 03 命令とレジスタ レジスタは 32 本ある x0〜x31 はすべて 64bit x0 x1 x2 x3 x4 x5-x7 x8-x9 x10-x17 x18-x27 x28-x31 zero ra sp gp tp t0-t2 s0-s1 a0-a7 s2-s11 t3-t6 常時0 戻り先 スタック 大域データ スレッド 一時用 保存 (s0=fp) 引数 (a0/a1は戻り値も) 保存 一時用 同じ色は同じ役割のグループ 番号でも呼べるが，通常は ABI 名 で書く 16
17. 03 命令とレジスタ x0 について 32 本の整数レジスタのうち，x0 だけは 常に 0 何を書き込んでも 0 のまま mv a0, a1 の実体は addi a0, a1, 0 beq a0, x0, .Lzero なら 0 かどうか で分岐できる ゼロ専用レジスタ 自体は MIPS 由来のアイデア 17
18. 03 命令とレジスタ レジスタの ABI 名と役割 a0〜a7: 関数の引数 (a0・a1 は戻り値にも使う) t0〜t6: 一時的な値 (呼び出し先で書き換えられてもよい) s0〜s11: 呼び出しをまたぐ値の保存用 ra / sp / s0: 戻り先とスタック (後で解説) gp / tp: 特別な用途のレジスタ．通常は変更しない 18
19. 04 スタック
20. 04 スタック スタックとは 関数の一時的なデータの置き場所 高いアドレスから低いアドレスへ 下向き に伸びる 関数ごとの領域が，呼び出し順に積み重なる sp を下げると領域を確保し，戻すと解放できる 保存した値は sp からのオフセットで参照する sp の位置と保存した値の位置を意識しよう 20
21. 04 スタック スタックのイメージ sp を下げて確保し，使い終わったら戻す ↑ 高いアドレス 呼び出し元のデータ fp - 8 → ◀ fp (s0) 退避した ra（戻り先） 1 2 3 4 addi sp, sp, -32 sd ra, 24(sp) sd s0, 16(sp) addi s0, sp, 32 RV64 fp - 16 → sp は確保した領域の下端，s0 は基準 退避した s0 fp - 20 → 点 ローカル変数 (fp-20) sp = fp - 32 → ↓ 低いアドレスへ 余白（16B 境界のため） ◀ sp sp は 16B 境界を常に保つ 21
22. 04 スタック 3 つの大事なレジスタ sp (x2): スタックの先頭 (Stack Pointer) s0 (x8): 保存用レジスタ (Frame Pointer にも使う) ra (x1): 戻り先のアドレス (Return Address) pc: 実行中の命令のアドレス（x86 の rip に相当） pc は 32 本の整数レジスタには含まれない 22
23. 04 スタック push / pop はない！ 自分で sp を動かして sd / ld する 1 2 3 addi sp, sp, -16 sd ra, 8(sp) sd s0, 0(sp) # 16B 借りる # 戻り先を保存 # 基準点を保存 RV64 x86 の push と違い，領域の確保と値の保存を別々に書く 戻すときは逆向きに ld して addi sp, sp, 16 23
24. 05 データ転送と計算
25. 05 データ転送と計算 計算命令は 3 オペランド x86 の 2 オペランド命令との違い 1 2 add a0, a1, a2 sub a0, a1, a2 # a0 = a1 + a2 # a0 = a1 - a2 RV64 オペランドは「dst, src1, src2」の順に書く 定数は addi a0, a1, 10 のように書く 即値は 12bit (−2048〜2047) までが基本 25
26. 05 データ転送と計算 li と mv は便利な別名 アセンブラが実際の命令に展開する (擬似命令) 1 2 3 li a0, 12345 mv a1, a0 nop # 大きい数もOK # a1 = a0 のコピー # 何もしない RV64 li は数に合わせて lui + addi などに展開される mv は addi a1, a0, 0 に，nop は addi x0, x0, 0 に展開される 26
27. 05 データ転送と計算 ロード (メモリ → レジスタ) サイズと符号に注意！ 1 2 3 4 ld a0, 0(sp) lw a0, 0(sp) lwu a0, 0(sp) lb a0, 0(sp) # 64bit 読む # 32bit 読んで符号拡張 # 32bit 読んでゼロ拡張 # 8bit + 符号拡張 / lbu もある RV64 l = load, w = 32bit, h = 16bit, b = 8bit 64bit 未満のロードは，末尾に u が付くとゼロ拡張，付かないと符号拡張 27
28. 05 データ転送と計算 ストア (レジスタ → メモリ) 1 2 3 4 sd sw sh sb a0, 0(sp) a0, 0(sp) a0, 0(sp) a0, 0(sp) # 64bit 書く # 下位32bit 書く # 下位16bit 書く # 下位8bit 書く RV64 書き込む幅より上位のビットは保存されない sd / sw / sh / sb はそれぞれ 8 / 4 / 2 / 1 byte を書く 書き込む位置は sd a0, 16(sp) のようにオフセットで指定する 28
29. 05 データ転送と計算 おさらい (1): 8 × 9 最初の例が読めるようになった 1 2 3 4 5 6 .globl main main: li a0, 8 li a1, 9 mul a0, a0, a1 ret RV64 # a0 = 8 # a1 = 9 # a0 = a0 * a1 # a0 を返して戻る 29
30. 05 データ転送と計算 乗除算 (M 拡張) 1 2 3 4 mul a0, a1, a2 mulh a0, a1, a2 div a0, a1, a2 rem a0, a1, a2 # 下位64bit # 符号付き積の上位64bit # 商 (0除算でも例外にならない) # 余り RV64 32bit 版は mulw / divw / remw, 符号なしは divu / remu div の商は 0 の方向 に丸める 30
31. 05 データ転送と計算 0 除算もオーバーフローも例外にならない 状況 結果 0 で割る (商) 全てのビットが 1 (= −1) 0 で割る (余り) 被除数そのもの 符号付きオーバーフロー 商 = 被除数, 余り = 0 31
32. 05 データ転送と計算 シフトと論理演算 1 2 3 4 slli a0, a1, 3 # 左へ3bit (×8) srli a0, a1, 3 # 右へ論理シフト srai a0, a1, 3 # 右へ算術シフト (符号を保つ) and a0, a1, a2 # 論理積 / or / xor もある RV64 i が付いたら即値版 2 のべき乗倍 の計算やビット操作に使う 32
33. 05 データ転送と計算 比べる命令 slt フラグの代わりに 0 / 1 を作る 1 2 slt a0, a1, a2 slti a0, a1, 10 # a1 < a2 なら1, そうでなければ0 # 即値版 RV64 x86 のような フラグレジスタはない 比べた結果は レジスタに 0 / 1 として残す 大小比較の分岐はあとで出てくる blt などで 直接 書ける 33
34. 06 関数
35. 06 関数 関数呼び出しの仕組み call で関数へ，ret で呼び出し元へ 呼び出し側 (main) 呼び出し先 (mul2) call li a0, 8 第 1 引数 li a1, 9 第 2 引数 mul2: 戻り先 → ra call mul2 a0 に結果が入る ret mulw a0, a0, a1 ret 引数は a0〜a7，戻り値は主に a0 で受け渡す call は戻り先を ra に保存し，ret はそのアドレスへ戻る 35
36. 06 関数 関数の開始時の処理 1 2 3 4 addi sp, sp, -16 sd ra, 8(sp) sd s0, 0(sp) addi s0, sp, 16 RV64 sp を 16B 下げ，保存用の領域を確保 ほかの関数を呼ぶ場合，ra を先に保存する s0 を保存し，新しい基準点にする x86 の push rbp + mov rbp, rsp に相当 36
37. 06 関数 なぜ ra と s0 を保存するの？ 呼び出し前の値を守るため ra は call のたびに 上書き される 自分が戻る先を守るため, 先に退避する s0 を使うなら，元の値を保存して戻る前に復元する t0 などは呼び出し先で書き換えられてもよい 37
38. 06 関数 関数の終了時の処理 確保した分を元に戻す 1 2 3 4 ld s0, 0(sp) ld ra, 8(sp) addi sp, sp, 16 ret RV64 # = jalr x0, 0(ra) 開始時と 逆順 に戻す sp を元に戻し忘れると，呼び出し元のスタックを正しく使えない ret は jalr x0, 0(ra) の略 38
39. 06 関数 スタック変数を使ってみる フレームに値を置いてから計算する 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 .globl main main: addi sp, sp, -16 sd s0, 8(sp) li t0, 8 sw t0, 0(sp) li t0, 9 sw t0, 4(sp) lw a0, 0(sp) lw a1, 4(sp) mulw a0, a0, a1 ld s0, 8(sp) addi sp, sp, 16 ret RV64 # ローカル変数に 8 # ローカル変数に 9 # 32bit で掛けて 64bit に符号拡張 39
40. 06 関数 関数呼び出し規約 (psABI) 関数呼び出しなどの際に何を守るかを決めている 引数: a0〜a7 (9 個目以降はスタック) 戻り値: a0 (2 つ目は a1) callee-saved (呼ばれた側が保存・復元): s0〜s11，sp caller-saved (呼び出し先で変わりうる): a0〜a7，t0〜t6 関数に入るときから実行中まで，sp は 16B 境界を保つ 40
41. 06 関数 なぜアラインメントが必要なのか 呼ばれた側は「sp が 16B 境界」を前提に変数を置く 境界がずれると，呼び出し先が想定するスタック配置が崩れる 呼び出し側も sp % 16 == 0 を保って call する たとえば sp = 0x1000 なら，16B 確保した後は 0x0ff0 規約を守ると，コンパイラが生成したコードとも連携できる 41
42. 06 関数 呼び出し側のスタック調整 1 2 3 addi sp, sp, -16 call function addi sp, sp, 16 # 16B の作業領域を確保 RV64 # 呼び出し後に戻す もともと 16B 境界なら，増減も 16B 単位にする sp は関数の実行中ずっと 16B 境界を保つ この断片を関数内で使うなら，呼び出し前の ra も保存する 42
43. 06 関数 .globl と .extern .globl main: main を 外部から参照可能 にする .extern printf: 外部シンボルを使うことを示す宣言 GNU as では .extern を省略しても外部シンボルを参照できる これらは CPU 命令ではなく，アセンブラへの指示 .text に命令，.data に初期化済みデータを置く 43
44. 06 関数 printf で数値を表示する a0 に書式文字列，a1 に %d へ入れる値を渡す 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 .text .globl main main: addi sp, sp, -16 sd ra, 8(sp) # printf の呼び出し前に保存 la a0, fmt # 第 1 引数: 書式文字列 li a1, 72 # 第 2 引数: 表示する値 call printf # 72 を表示 ld ra, 8(sp) addi sp, sp, 16 li a0, 0 # main の戻り値 ret .section .rodata fmt: .string "value = %d\n" RV64 44
45. 07 分岐とループ
46. 07 分岐とループ 条件分岐は 1 命令で書ける x86 のような cmp + jcc が不要 命令 条件 種類 beq / bne 等しい / 等しくない 整数 blt / bge 小さい / 以上 符号付き bltu / bgeu 小さい / 以上 符号なし x86 のように フラグを経由しない 2 つのレジスタを その命令の中で比較 して飛ぶ 46
47. 07 分岐とループ 飛べる距離には限りがある 届かない分岐はアセンブラが別の命令列に展開する そのままでは届かない beq a0, a1, .Lfar 条件を反転して飛ぶ 展開 bne a0, a1, .Lskip j .Lfar 不一致なら飛ばす 一致なら遠くへ .Lfar は分岐の範囲外 条件分岐は約 ±4KiB .Lskip: jal（J 形）の範囲は約 ±1MiB．call は通常，約 ±2GiB まで届く 47
48. 07 分岐とループ ラベル ジャンプ先に名前を付ける .Lend: や .Lelse: のように ローカルラベル を付ける .L で始まるラベルは通常，最終的なシンボル表に残らない 名前が重ならないよう，番号や用途 を含めるとよい x86 のラベルと同じ役割 48
49. 07 分岐とループ if 文の実装 (else なし) C で if (x != 0) x++; と書く処理を考える 1 2 3 4 # a0 に x が入っている beqz a0, .Lend # x == 0 なら飛ぶ addi a0, a0, 1 # x++ .Lend: RV64 beqz a0, .Lend は beq a0, x0, .Lend の略 条件を満たさないときだけ本体を飛ばす 49
50. 07 分岐とループ if 文の実装 (else あり) 条件に応じて処理を選び，.Lend に合流する a0 ≠ 0 then 節 j .Lend beqz a0, .Lelse else 節 .Lend: a0 = 0 1 2 3 4 5 beqz a0, .Lelse # then j .Lend .Lelse: # else .Lend: RV64 50
51. 07 分岐とループ while ループの実装 1 2 3 4 5 6 .Lbegin: # a0 に条件の真偽を入れる (偽なら 0) beqz a0, .Lend # ループ本体 j .Lbegin .Lend: RV64 条件を見てから本体を実行する 前置判定 の形 break / continue は今回は省略する 51
52. 07 分岐とループ for ループの実装 1 2 3 4 5 6 7 8 # 初期化処理 .Lbegin: # a0 に条件の真偽を入れる (偽なら 0) beqz a0, .Lend # ループ本体 # 更新処理 j .Lbegin .Lend: RV64 初期化・条件・本体・更新の 4 つを 順番に並べる だけ 52
53. 07 分岐とループ 論理 && と || 短絡評価は分岐で書く 1 2 3 4 5 6 7 8 9 # 左辺の結果は a0 に入っている beqz a0, .Lfalse # ここで右辺を評価し，結果を a1 に入れる beqz a1, .Lfalse li a0, 1 j .Lend .Lfalse: li a0, 0 .Lend: RV64 右辺を計算する命令は，最初の beqz の後に置く || では左辺が真なら右辺を計算せずに飛ぶ 53
54. 08 データとアドレス
55. 08 データとアドレス セクション管理 .text: 命令コードを置く領域 .data: 書き換え可能な初期化済みデータ .rodata: 読み出し専用データ (文字列リテラルなど) 1 2 3 4 5 6 .text main: # 命令 .rodata .L0: .string "Hello" RV64 55
56. 08 データとアドレス la でラベルのアドレスを得る la はラベルが指す場所をレジスタに入れる命令 メモリ上の文字列 レジスタ a0 la a0, .L0 .L0: .L0 のアドレス .string "Hello" a0 に入るのは文字列の中身ではなく，文字列の場所 1 la a0, .L0 # .L0 のアドレスを a0 に入れる RV64 文字列を読むときは，このアドレスを使う 56
57. 08 データとアドレス "Hello"[2] を取り出す 1 2 3 4 5 6 7 8 9 .text .globl main main: la a0, .L0 lbu a0, 2(a0) ret .rodata .L0: .string "Hello" RV64 # 'l' を読む (ゼロ拡張) 57
58. 09 まとめ 参考資料① RISC-V 非特権命令セット仕様 https://docs.riscv.org/reference/isa/ RISC-V psABI (呼び出し規約) https://riscv-non-isa.github.io/riscv-elf-psabi-doc/ GNU as RISC-V 依存機能 https://sourceware.org/binutils/docs/as/RISC-V-Dependent.html RISC-V の歴史と名前 https://riscv.org/about/faq/ 58
59. 09 まとめ 参考資料② 『低レイヤを知りたい人のための C コンパイラ作成入門』 https://www.sigbus.info/compilerbook HCCC_Tutorial (x86-64 版チュートリアル) https://github.com/Alignof/HCCC_Tutorial HCCC 競技サイト https://hccc.contest.seccon.jp/ 59