関数とスタック

関数とは、何度も使える名前付きの命令のまとまりです。そこへジャンプすると処理を実行し、呼び出し元に制御を戻します。これにより、同じロジックを一度書くだけで、プログラム全体で同じ行を繰り返す代わりに多くの場所から使えます。

call label を使って関数を呼び出します。これはラベルへジャンプし、戻り先を ra に保存します。関数は ret で終わり、ra のアドレスへ戻ります。call と ret は疑似命令です。つまり、アセンブラが実際の命令 jal ra, label と jalr zero, ra, 0 に展開する便利な名前です。

引数は a0、a1、およびそれに続くレジスタに置かれます。戻り値は a0 に置かれます。この取り決めが呼び出し規約であり、別々のコード片が連携できるようにする共通の合意です。

li a0, 6 # 引数
call square # 呼び出し、そしてraは戻ってくる場所を覚えている
li a7, 1 # squareは結果をa0に残す
ecall
li a7, 10
ecall
square:
  mul a0, a0, a0 # a0 = a0 * a0
  ret # raへ戻る

呼び出しを追ってみましょう。li a0, 6 は引数 6 を a0 に置きます。call square は square ラベルへジャンプし、戻りアドレスを ra に保存します。関数内では、mul a0, a0, a0 が 6 * 6 = 36 を計算し、結果を戻り値に使うレジスタである a0 に残します。ret は呼び出しの直後の命令へ戻り、そこで li a7, 1 と ecall が 36 を表示し、その後プログラムは終了します。

スタック

レジスタの数はごくわずかであるため、他の関数を呼び出す関数には一時的な領域が必要です。スタックとは、スタックポインタ sp を通じて借りるメモリのことです。スペースを確保するには sp から引き算を行い、保持する必要がある値はそこに格納し、ret の前に元の状態に戻します。

スタックは後入れ先出し（LIFO）構造です。最後に保存した値が最初に取り出されます。RISC-V では、スタックはメモリ上で下向きに成長します。sp から引くことで、安全に使える新しい領域を確保します。値を取り出すときは、保存したときと逆の順序で行わなければなりません。そうしないと、プログラムの実行の流れが壊れます。

addi sp, sp, -4 # 1ワード分の場所を確保する
sw   ra, 0(sp) # 戻りアドレスを保存する
 # ... ここで他の関数を呼び出す ...
lw   ra, 0(sp) # それを復元する
addi sp, sp, 4 # その場所を解放する
ret

すべての jal/call は ra を上書きするため、関数が別の関数を呼び出すと、内側の呼び出しが戻りアドレスを破壊し、自身の ret が誤った場所へジャンプします。これを防ぐには、addi sp, sp, -4 でスタックに 4 バイト確保し、sw ra, 0(sp) で ra をそこに保存します。内側の呼び出しが終わったら、lw ra, 0(sp) で戻りアドレスを復元し、addi sp, sp, 4 で ret の前に領域を返します。