一起学RISC-V汇编第3讲之寄存器
寄存器是处理器中最常用的处理单元，RISC-V指令的操作数除了立即数就是寄存器。
RISC-V指令集包含了多种不同类型的寄存器，用于不同目的和功能：
对于rv32imafd架构而言，包含如下寄存器：
- 通用寄存器：32个通用整数寄存器，分别标记为x0-x31，如果是fd扩展，还有32 个独立的浮点寄存器，分别标记为f0-f31
- 控制与状态寄存器CSR：用来记录或配置一些CPU的运行状态
- 独立的程序计数器PC
1 通用寄存器
1.1 通用整数寄存器
RISC-V 架构提供32个通用寄存器x0-x31，其中x0 有些特殊，x0 寄存器被设置为硬件连线的常数0，读恒为0，写无效，这个寄存器在一些地方很有作用，因为程序运行中常数0的使用频率非常高，所以专门用一个寄存器来存放常数0，并没有浪费寄存器数量，并且使得编译器工作更加简便，这一点也是RISC-V架构优雅性的体现，比如后面讲到的伪指令。
下图来自riscv spec，附带PC寄存器（程序计数器，用来存储指向下一条指令的地址），寄存器的长度XLEN与架构有关（对于rv32：XLEN=32，对于rv64：XLEN=64）。
对于这些通用寄存器，除了x0外（x0 寄存器的值读恒为0，写无效），其它寄存器都本质上是等价的。但在实际使用过程中，我们约定了这些寄存器的用法，即ABI规范，见下表，我们将x0-x31以及f0-f31 按照常用功能分别取了别名，附带有简单的描述，在汇编中使用原名和别名是等价的，比如：在汇编中我们使用x1或使用ra，编译器都是认识的，建议写汇编时使用别名，这样方便我们阅读代码，关于表中ABI的描述以及Caller Callee的概念见后续章节。
将上表重新抄录如下：
| 寄存器 | ABI 名称 | 描述 | Saver |
|---|---|---|---|
| x0 | zero | 零值 | - |
| x1 | ra | 返回地址 | Caller |
| x2 | sp | 堆栈指针 | Callee |
| x3 | gp | 全局指针 | - |
| x4 | tp | 线程指针 | - |
| x5 | t0 | 临时/备用链接寄存器 | Caller |
| x6-x7 | t1-t2 | 临时寄存器 | Caller |
| x8 | s0/fp | 保存寄存器/帧指针 | Callee |
| x9 | s1/gp | 保存寄存器/全局指针 | Callee |
| x10-x11 | a0-a1 | 函数参数/返回值 | Caller |
| x12-x17 | a2-a7 | 函数参数 | Caller |
| x18-x27 | s2-s11 | 保存寄存器 | Callee |
| x28-x31 | t3-t6 | 临时寄存器 | Caller |
1.2 通用浮点寄存器
对于带有fpu的架构，如rv32imafd 或 rv64imafd（F表示单精度浮点，D表示双精度浮点，D扩展依赖于F扩展） 架构处理器而言，它们有32个浮点寄存器，见下图，浮点寄存器长度FLEN与"F" 或 “D”扩展有关，对于“F扩展”，无论是rv32imaf还是 rv64imaf架构，FLEN = 32，而对于“D扩展”，无论是rv32imafd还是 rv64imafd，FLEN=64。这一点与通用寄存器是不同的。
同样的，在实际使用过程中，我们约定了这些浮点寄存器的用法，见下表。
| 寄存器 | ABI 名称 | 描述 | Saver |
|---|---|---|---|
| f0-f7 | ft0-ft7 | 浮点 临时存储 | Caller |
| f8-f9 | fs0-fs1 | 浮点 保存的寄存器 | Callee |
| f10-f11 | fa0-fa1 | 浮点 函数参数/返回值 | Caller |
| f12-f17 | fa2-fa7 | 浮点 函数参数 | Caller |
| f18-f27 | fs2-fs11 | 浮点 保存的寄存器 | Callee |
| f28-f31 | ft8-ft11 | 浮点 临时存储 | Caller |
查看XLEN与FLEN：
如下，我们可以查看riscv 编译器定义的xlen与flen宏，来了解XLEN与FLEN的差异，简单来说：xlen取决于是rv32还是rv64，flen取决于是F扩展还是D扩展。
$ riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv32imafc -mabi=ilp32f -dM -E - < /dev/null | grep len
#define __riscv_xlen 32
#define __riscv_flen 32
$ riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv32imafdc -mabi=ilp32d -dM -E - < /dev/null | grep len
#define __riscv_xlen 32
#define __riscv_flen 64
$ riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv64imafc -mabi=lp64f -dM -E - < /dev/null | grep len
#define __riscv_xlen 64
#define __riscv_flen 32
$ riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv64imafdc -mabi=lp64d -dM -E - < /dev/null | grep len
#define __riscv_xlen 64
#define __riscv_flen 64
2 控制状态寄存器CSR
RISC-V 定义了控制和状态寄存器CSR (Control and Status Register)，用于配置或记录处理器的运行状态， RISC-V 特权指令就是通过控制CSR来实现的。CSR 使用专有的 12 位地址空间，因此理论上能够支持最多 4096 个 CSR。但实际上，这个地址空间大部分是空的，RISC-V 手册中实际只定义了数十个 CSR，访问不存在的 CSR 将触发无效指令异常。
CSR寄存器的种类：
RISC-V 的 CSR 寄存器非常多，在机器模式（Machine Mode）下这些存储器主要包括以下六类：
- 处理器信息相关：如：MHARTID（Machine Hartid），表示机器模式信息寄存器组
- 中断配置相关：如：MIE（Machine Interrupt Enable）， MTVEC（Machine Trap Vector）等
- 异常处理相关：如：MCAUSE（Machine Cause）， MTVAL（Machine Trap Value），MSTATUS（Machine Status）等
- 存储器保护相关：设置不同地址空间的存储器的访问属性，例如可读可写可执行等等。
- 性能统计相关和调试接口相关，如MCYCLE(Machine Cycle)等。
CSR寄存器列表如下：
| 寄存器名称 | 全称 | 作用 |
|---|---|---|
| 处理器信息相关寄存器 | ||
| misa | Machine ISA Register | 机器模式指令集架构寄存器，可以查看处理器的位宽，以及所支持的扩展 |
| mvendorid | Machine Vendor ID Register | 机器模式供应商编号寄存器 |
| marchid | Machine Architecture ID Register | 机器模式架构编号寄存器 |
| mimpid | Machine Implementation ID Register | 机器模式硬件实现编号寄存器 |
| mhartid | Hart ID Register | Hart编号寄存器 |
| 中断配置相关寄存器 | ||
| mie | Machine Interrupt Enable Registers | 机器模式中断使能寄存器，维护处理器的中断使能状态 |
| mip | Machine Interrupt Pending Registers | 机器模式中断等待寄存器，记录当前的中断请求 |
| mtvec | Machine Trap-Vector Base-Address Register | 机器模式异常入口基地址寄存器，低2位可以设置为直接模式或向量模式 |
| 异常处理相关寄存器 | ||
| mcause | Machine Cause Register | 机器模式异常原因寄存器 |
| mtval | Machine Trap Value Register | 又名mbadaddr, 机器模式异常值寄存器，存放当前自陷相关的额外信息，如地址异常的故障地址、非法指令异常的指令，发生其他异常时其值为 0 |
| mstatus | Machine Status Registers | 机器模式状态寄存器 |
| mepc | Machine Exception Program Counter | 机器模式异常PC寄存器，指向发生异常的指令 |
| 性能统计相关 | ||
| mtime | Machine Timer Registers | 机器模式计时寄存器 |
| mcycle | Cycle counter | cycle 计数器（rv32 寄存器值为32位，需配合mcycleh使用，rv64 寄存器值为64位） |
| mcycleh | Cycle counter | cycle 计数器高32位(rv64 无) |
CSR寄存器的读写
访问CSR寄存器需要特别的CSR指令，CSR 指令在 RISC-V 的 Zicsr 扩展模块中定义。
3 程序计数器PC
有些处理器架构中用通用寄存器来存放PC，这样使用普通的指令即可改变PC值，从而引起跳转，这样并不是一个很好的做法，RISC-V中，定义了独立的程序计数器，可以通过专门的指令（AUIPC）来间接获取PC值。
参考：
- 《riscv-spec-20191213.pdf》
- 3、寄存器 — RISC-V RT-Thread 编程指南 0.0.1 文档 (riscv-rtthread-programming-manual.readthedocs.io)
