RV64 リファレンス

コード生成中に引くための、ターゲットアーキテクチャと呼び出し規約のまとめ。

ターゲットアーキテクチャ

RISC-V RV64IM（整数 + M拡張、C拡張なし・全命令 32bit 固定長）。

RV64 を選ぶ理由（可変長命令や暗黙のフラグレジスタがないこと）は、開発リポジトリの design/curriculum.md にある RISC-V 導入戦略に書いてある。

呼び出し規約

役割	レジスタ
引数	`a0`–`a7`（第1引数が `a0`）
戻り値	`a0`
フレームポインタ	`s0`
リンクレジスタ	`ra`
callee-saved	`s0`–`s11`（使うなら関数の入口で退避する）
caller-saved	`t0`–`t6`、`a0`–`a7`（関数呼び出しをまたいで保持されない）

通常回で扱うのは、8個以下の整数引数を持つ関数の呼び出しまでである。本格的な呼び出し規約には、この範囲の外に次のような話題がある。

話題	内容	扱い
9個以上の引数	`a0`–`a7` に入りきらない分はスタックで渡す	扱わない
可変長引数の定義（`...` を受け取る側）	`printf` のように引数個数が変わる関数を自分で定義する	発展課題 L3
型チェック	宣言と呼び出しの引数個数・型が一致するか確認する	発展課題 Q1
外部関数呼び出し	libc の `printf` や `malloc` を呼ぶ	`printf` はコマ10、`malloc` はコマ9
caller-saved / callee-saved	呼び出し前後でどのレジスタを誰が保存するか	上表の `a0`–`a7`・`ra`・`s0` の基本だけ
末尾呼び出し最適化	`return f(x);` をジャンプに変える最適化	発展課題 B3

スタックフレーム

スタックポインタ sp は、call を出す時点で 16 バイト境界に揃っている必要がある。違反すると Illegal instruction や Bus error として現れ、原因の特定が難しい。 qemu は 8 バイトのずれを黙って通してしまうことがあるので、「テストが通る」ことは揃っている証拠にならない。

def align_to(n, align):
    return (n + align - 1) // align * align

frame_size = align_to(self._stack_offset, 16)   # 必ずこれを使う

sp を動かす場所は2つあり、揃える責任の持ち方が異なる。

箇所	対象
関数のプロローグ	フレームサイズ。`align_to(_stack_offset, 16)` を通すので常に 16 の倍数（コマ3 以降）
`call` を出す直前	そのとき積んでいる一時値（`_push_a0()` の分、1個 8 バイト）。奇数個なら 8 詰める（コマ6 以降）

プロローグが常に 16 の倍数である以上、call 時にずれる原因は一時値の積み方だけである。引数の個数ではないことに注意する。引数は call の前にレジスタへ移して sp を戻すため、 call の時点では消えている。残るのは呼び出しを囲む式が積んだ分である（例: n * fact(n - 1) は * の左辺を1個積んだまま fact を呼ぶ）。

プロローグ／エピローグの形:

# プロローグ（frame_size は 16 の倍数）
  addi sp, sp, -(frame_size + 16)
  sd   ra, frame_size + 8(sp)
  sd   s0, frame_size(sp)
  addi s0, sp, frame_size + 16

# エピローグ
  ld   s0, frame_size(sp)
  ld   ra, frame_size + 8(sp)
  addi sp, sp, frame_size + 16
  ret

プロローグ直後、s0 は「関数に入る前の sp」と同じ位置を指す。ローカル変数は s0 から負の方向に並ぶ（1個目が s0-24、2個目が s0-32、…）。

よく使う命令

命令	意味
`li rd, imm`	即値ロード
`mv rd, rs`	レジスタコピー
`ld rd, off(rs)` / `sd rs2, off(rs1)`	8バイトのロード / ストア
`lw` / `sw`、`lb` / `sb`	4バイト / 1バイトのロード・ストア
`add` / `sub` / `mul` / `div` / `rem`	算術（`div` / `rem` は M 拡張）
`slt` / `sltu`	比較（小なりで1）
`seqz` / `snez`	0 と等しい / 等しくないを 0/1 に
`and` / `or` / `xori`	論理演算（`&&` / `\\|\\|` / `!`）の下位化に使う
`beqz rs, label` / `bnez`	0 なら / 0 でなければ分岐
`j label` / `call sym` / `ret`	無条件ジャンプ / 関数呼び出し / 復帰

実行環境

RV64 は qemu-riscv64（Linux user-mode emulation）で実行する。

riscv64-linux-gnu-gcc -static hello.s -o hello
qemu-riscv64 ./hello; echo $?

環境の用意は getting_started.md を参照。

参考

RISC-V 仕様書 Volume I (User-Level ISA) — 命令セットの一次資料

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