RISC-V Procedures

資料來源：NCKU Jserv 教授開設之計算機結構課程－RISC-V Procedures。

可回來查閱 RISC-V Symbolic Register Names。

RISC-V Function Call

Six Fundamental Steps in Calling a Function

將 arguments 放在函式可以存取的位置。
將「控制權」轉交給函式。
取得函式所需的（本地）儲存資源。
執行函式所需的任務。
將 return value 放在呼叫程式碼可以存取的位置，並恢復使用過的暫存器；釋放本地儲存資源。
將「控制權」交回給原點，因為一個函式可能從程式的多個點被呼叫。

RISC-V Function Call Conventions

暫存器比記憶體快，因此應善加利用它們。
a0 – a7 (x10 - x17)：8 個參數暫存器，用來傳遞參數及兩個 return value（a0 - a1）。
ra：1 個 return address 暫存器，用來回到到原點（x1）。
另外還有 s0-s1 (x8-x9) 和 s2-s11 (x18-x27)： saved 暫存器（稍後會進一步解釋）。

RISC-V Function Call Instructions

呼叫函式：使用 jump and link 指令（jal）。
- 「link」的意思是建立一個位址或連結，指向呼叫的地方，讓函式能夠返回到正確的位址。
- 「jump」到指定位址，並同時將下一條指令的位址儲存到 rd 暫存器中：
```
jal rd, FunctionLabel
```
從函式回傳：使用 jump register 指令（jr）。
- 無條件跳躍到 ra 暫存器指定的位址：
```
jr ra
```
- 組譯器的簡寫：ret = jr ra。

小總結：

事實上，只有兩個指令：

jal rd, Label – jump-and-link # rd = pc+4; pc += imm
jalr rd, rs, imm – jump-and-link register # rd = pc+4; pc = R[rs1]+imm
- 正如我們即將看到的，「天下沒有白吃的午餐」，因此可能沒有足夠的位元讓 Label 指向我們想跳躍的遠處。
- 使用 jalr 時，我們跳躍到暫存器 rs 的內容加上立即值 imm（就像基底指標加上偏移量），並且將 rd 設置為和 jal 相同的方式。

注意：j, jr 和 ret 是 pseudo-instructions!

Stack

在呼叫函數之前，需要一個地方來保存舊的值，返回時還原它們，並刪除這些值。

理想的選擇是 Stack：一種 LIFO 的佇列。

Push：將資料放入 Stack。
Pop：從 Stack 中取出資料。

Stack 位於記憶體中，因此需要一個暫存器指向它。
RISC-V 中的 Stack Pointer 為 sp（x2）。
慣例上，Stack 從高位址向低位址增長，執行 Push 時減少 sp，執行 Pop 時增加 sp。

Stack frame 包含：

Return「instruction」位址
參數（引數）
其他區域變數的空間

stack frame 是連續的記憶體區塊， Stack Pointer 會指示 stack frame 的底部位置。

當程式執行完畢後，stack frame 會從 Stack 中移除，釋放記憶體以供未來的 stack frame 使用。

RISC-V Function Call Example

C Code

int Leaf (int g, int h, int i, int j)
{
	int f;
	f = (g + h) – (i + j);
	return f;
}

Parameter variables g, h, i, and j in argument registers a0, a1, a2, and a3, and f in s0.
Assume need one temporary register s1.

Assembly Code

Leaf: 	addi sp,sp,-8  # adjust stack for 2 items
	sw s1, 4(sp)   # save s1 for use afterwards
      	sw s0, 0(sp)   # save s0 for use afterwards

      	add s0,a0,a1   # f = g + h
      	add s1,a2,a3   # s1 = i + j
      	sub a0,s0,s1   # return value (g + h) – (i + j)

      	lw s0, 0(sp)   # restore register s0 for caller 
      	lw s1, 4(sp)   # restore register s1 for caller
      	addi sp,sp,8   # adjust stack to delete 2 items
      	jr ra 	       # jump back to calling routine

Stack Before, During, After Function

Nested Calls and Register Conventions

Nested Procedures

int sumSquare(int x, int y) {
    return mult(x, x) + y;
}

有個名為 sumSquare 的函式，現在 sumSquare 呼叫了 mult 函式。
此時，sumSquare 需要 return 的 addr. 儲存在 ra 中，但在呼叫 mult 時，ra 會被覆寫。

因此，在呼叫 mult 之前，必須先將 sumSquare 的 return address 存放到 Stack 中，以避免被覆寫。

Register Conventions

呼叫者（CalleR）：指發起呼叫的函式。
被呼叫者（CalleE）：指被呼叫的函式。

當 CalleE 執行完畢 return 時，CalleR 需要知道哪些暫存器可能會被改變，哪些則保證不會被改變。

暫存器慣例（Register Conventions）：這是一組普遍接受的規則，說明在執行函式呼叫（jal）後，哪些暫存器會保持不變，哪些可能會被改變。

為了減少因暫存器溢出與恢復所造成的昂貴 load 和 store 操作，RISC-V 的 function-calling convention 將暫存器分為兩類：

函式呼叫後，保留的暫存器：
- 呼叫者可以依賴其值不變。
- sp（堆疊指標）、gp（全域指標）、tp（執行緒指標）。
- Saved registers：s0 - s11（s0 也作為 fp，即框架指標），
函式呼叫後，不保留的暫存器：
- 呼叫者無法依賴其值保持不變。
- Argument / Return registers：a0 - a7、ra（返回位址暫存器）。
- Temporary registers：t0 - t6。

RISC-V Symbolic Register Names

Register：Numbers hardware understands。
ABI Name：Human-friendly symbolic names in assembly code.