2.1 寄存器模型与 ABI 约定

2.1 寄存器模型与 ABI 约定

本节摘要：三十二个通用寄存器是 RISC-V 非特权规范的工作台：每个寄存器有机器名 x0 到 x31 与 ABI 名两套称呼，按调用约定分成调用者保存与被调用者保存两组。本节拆解这套命名的分工逻辑，并用一个真实函数的汇编现场演示编译器如何遵守约定。

先把定义摆正

寄存器模型，指规范为软件规定的、处理器必须提供的可见存储单元及其语义。RISC-V 的非特权寄存器模型只有三句核心条款：提供三十二个通用寄存器 x0 到 x31（RV32 宽三十二位，RV64 宽六十四位）；x0 恒为零，写入无效；另有一个不可作为操作数寻址的程序计数器 pc。加上 F 或 D 扩展后另有三十二个浮点寄存器 f0 到 f31，加上 Zicsr 后还有一排控制状态寄存器——后者属于第三章的地盘，本节不展开。条款短得可疑，但真正决定软件如何写的，是叠在这套模型之上的 ABI 约定。

两套名字，一本分工表

同一个物理寄存器在规范文档里叫 x1，在汇编代码里叫 ra，在编译器中间表示里可能叫返回地址暂存——三套称呼指的是同一个单元。ABI 命名不是装饰，它直接编码了分工规则，看懂这张表，读任何 RISC-V 汇编都不会迷路。

调用者保存（caller-saved）与被调用者保存（callee-saved）的分界线是全章最需要吃透的一条。t 系寄存器：发起函数调用后内容即作废，谁想留谁自己在调用前存栈。s 系寄存器：被调用方若要动用，必须先在函数开头把旧值压栈、返回前恢复。a 系寄存器则兼任传参通道——前八个参数依次走 a0 到 a7，超出的参数走栈；返回值放在 a0 与 a1。这套分工让编译器做寄存器分配时有稳定的预期：短命临时值放 t 系不必付保存代价，跨调用的循环变量放 s 系，代价由被调用方按需支付。

图 2-1 寄存器分组与保存责任

工程现场：一个函数的现场勘察

背景：下面这个 C 函数在循环里累加，随后调用外部函数上报，我们观察编译器如何分配寄存器。

int accumulate(int *buf, int n) {
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++)
        sum += buf[i];
    return report(sum);   /* 外部函数 */
}
​

操作：用交叉编译器以默认优化级别生成汇编，关键片段如下。

accumulate:
    li   t0, 0          # sum 初值，先用 t 系
    mv  s1, a0          # buf 跨调用要活，挪进 s 系
    mv  s2, a1          # n 同理
    beq  s2, zero, done
loop:
    lw   t1, 0(s1)
    add  t0, t0, t1
    addi s1, s1, 4
    addi s2, s2, -1
    bnez s2, loop
done:
    mv   a0, t0
    tail report         # 尾调用，省去压栈
​

结果：真实的编译输出与此高度同构——循环变量与指针被搬进 s 系，因为它们必须在调用 report 之后仍然存活；累加器若全程不遇调用可以留在 t 系。本例恰好在调用前完成累加，编译器于是连 s 系的保存都省了：它发现 report 返回后不再使用 sum，直接尾调用跳转，返回值透传 a0。

解读：这段汇编是"寄存器即预算"的活教材。编译器做了三笔账：把跨调用的值移入被调用者保存组（付一次性搬移成本，免掉调用方反复压栈）；把短命值留在 t 系（零保存成本）；识别尾调用直接跳转（连 ra 的保存都省掉）。反过来，如果你在裸机汇编里手写函数，忘了保存你用到的 s 系寄存器，上层调用者的变量就会被无声踩掉——这类 bug 在调试器里表现为"某个变量莫名其妙变了"，极难追查。

变式：把 report 的调用挪进循环体内，再看寄存器分配的变化——sum 将被迫迁入 s 系并触发保存序列；再把优化级别调到最低，观察每条语句如何退化成"读栈、算、写栈"的呆板序列。两个变式分别演示调用频率与优化级别对分配策略的撬动。

gp 与 tp：两个容易被略过的角色

最后补一刀细节。gp 与 tp 在应用代码里几乎从不直接出现，却是运行时环境的地基：gp 由启动代码初始化为全局数据区附近的固定地址，链接器随后把"远距离取全局变量"的指令对替换成"gp 加小偏移"的短编码，省下一条装载立即数的指令，这个优化叫链接器松弛；tp 则指向线程局部存储块，多线程运行时靠它定位每个线程的私有数据。它们都属于被调用者保存，且按惯例整个进程生命周期不变。在第三章的启动排错里你会看到，gp 与 tp 忘记初始化的故障形态非常典型——程序能跑到 main 附近，随后在第一次访问全局变量时行为错乱。

还有两个模型边界值得一并封存。其一是栈指针对齐的硬约束：ABI 规定 sp 在调用边界必须按十六字节对齐（RV32 上为八字节），编译器生成的压栈与出栈代码默认这个前提，手写汇编破坏对齐后，症状是浮点或成组访存指令间歇性异常，极难与数据错误区分。其二是 E 变体对模型的影响：寄存器砍半到十六个后，ABI 名与保存责任表整体重排，它与主流软件生态的二进制互不兼容——第二章选型问答里提过它的适用边界，此处补上的是模型层的因果：寄存器数量是 ABI 之根，根变了，地上所有约定跟着重写。

本节要点回顾

• 模型三句话：三十二个通用寄存器、x0 恒零、pc 独立于编号体系，其余复杂度都在扩展与约定层；
• 两套命名一套语义：ABI 名直接编码保存责任，读汇编先认角色再认数值；
• 保存责任的分界：t 系与 a 系调用后作废，s 系被调用方用前必存——这是手写汇编与读反汇编共同的安全带；
• 传参协议：前八个参数走 a0 到 a7，返回值走 a0 与 a1，超出部分走栈；
• gp 与 tp 是地基：前者撑起链接器松弛，后者撑起线程局部存储，启动时初始化失败会留下特征明显的现场。

寄存器这张工作台认完了，下一节把工具摆上来：四十七条 RV32I 指令逐类过一遍，六种编码格式逐位手解——包括那个用比特乱序省线路的立即数设计。