riscv gp 寄存器 与 relaxation 技术

源码

static char * clock_source_name[3]={
    
    
  "INNER","OUTER","XXSIM"
};

void CLK_Init(rfiu_clock_t clock_source){
    
    
      printf("\nTBU CLOCK SOURCE : %s\n\n",clock_source_name[clock_source]);
}

禁止relaxation

• 编译

4a:	00000717          	auipc	a4,0x0
4e:	00070713          	mv	a4,a4
52:	fec46783          	lwu	a5,-20(s0)
56:	078e                	c.slli	a5,0x3
58:	97ba                	c.add	a5,a4
5a:	639c                	c.ld	a5,0(a5)
5c:	85be                	c.mv	a1,a5
5e:	00000517          	auipc	a0,0x0
62:	00050513          	mv	a0,a0
66:	00000097          	auipc	ra,0x0
6a:	000080e7          	jalr	ra # 66 <.L4+0x1c>

• 链接

0000000040863350 G __global_pointer$ // 有这个符号，但是没有用
0000000040861b60 d clock_source_name 

4083c714:	00025717          	auipc	a4,0x25
4083c718:	44c70713          	addi	a4,a4,1100 # 40861b60 <clock_source_name>
4083c71c:	fec46783          	lwu	a5,-20(s0)
4083c720:	078e                	c.slli	a5,0x3
4083c722:	97ba                	c.add	a5,a4
4083c724:	639c                	c.ld	a5,0(a5)
4083c726:	85be                	c.mv	a1,a5
4083c728:	0001a517          	auipc	a0,0x1a
4083c72c:	d6850513          	addi	a0,a0,-664 # 40856490 <__func__.0+0xd468>
4083c730:	f81c60ef          	jal	ra,408036b0 <printf>

使能relaxation

• 编译

4a: 00000717            auipc a4,0x0                                           
4e: 00070713            mv  a4,a4                                              
52: fec46783            lwu a5,-20(s0)                                         
56: 078e                  c.slli  a5,0x3                                       
58: 97ba                  c.add a5,a4                                          
5a: 639c                  c.ld  a5,0(a5)                                       
5c: 85be                  c.mv  a1,a5                                          
5e: 00000517            auipc a0,0x0                                           
62: 00050513            mv  a0,a0                                              
66: 00000097            auipc ra,0x0                                           
6a: 000080e7            jalr  ra # 66 <.L4+0x1c> 

• 链接

00000000 40860ff0 D __global_pointer$
00000000 408556c0 d clock_source_name

0x 40860ff0 - 47408 ==  0x 408556c0 // 46.296875‬KB

链接后
// 利用 gp 索引 clock_source_name 准备a1
4083bb44: ed09170b            addigp  a4,-47408 # 408556c0 <clock_source_name>
4083bb48: fec46783            lwu a5,-20(s0)                                 
4083bb4c: 078e                  c.slli  a5,0x3                               
4083bb4e: 97ba                  c.add a5,a4                                  
4083bb50: 639c                  c.ld  a5,0(a5)                               
4083bb52: 85be                  c.mv  a1,a5       
// 利用 gp 索引 rodata(字符串) 准备a0 
4083bb54: 8107150b            addigp  a0,-53232 # 40854000 <__func__.0+0xd338>
// 调用printf
4083bb58: a65c70ef            jal ra,408035bc <printf>

• rodata 的目标字符串信息

"\nTBU CLOCK SOURCE : %s\n\n"

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .init         000000f8  0000000040800000  0000000040800000  00001000  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
  1 .text         00044ba0  00000000408000f8  00000000408000f8  000010f8  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
  2 .rodata       0000fcb0  0000000040844c98  0000000040844c98  00045c98  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA

40854000:540a
40854002:5542
40854004:4320
40854006:4f4c
40854008:53204b43
4085400c:4352554f
40854010:2045
40854012:203a
40854014:7325
40854016:0a0a

两种方式对比

使用gp 比不使用gp ，用了2次，少用了2条指令
平均 使用1次gp，比不用gp少1条指令，达到性能优化的效果
使用gp ， 使之前的寻址(pc-relative) 变为 (gp-relative)
    因为gp的值是固定的，不需要再次读取，直接计算目标地址
    但是pc的值是变化的，需要花一个指令来读取pc，然后计算目标地址
    所以要少一条指令
使用gp ， 被称为 linker relaxation
在riscv 中，我们用gp寻址全局变量，用fp来寻址局部变量

程序员如何设置gp寄存器

链接脚本设置

链接脚本中不显式PROVIDE __global_pointer$ ， 连接器会默认提供该符号

代码设置

• 正确设置

_start:
  # initialize global pointer
  .option push
  .option norelax
  la gp, __global_pointer$
  .option pop
// push 和 pop 没有什么用.重要的是 norelax
// 这里禁止relaxation技术,否则会将其转换为gp-relative 的指令,但是现在 gp寄存器还没初始化 
// 这条就是初始化 gp寄存器的!!!
// 下面是反汇编
000000004080000c <_start>:                                                       
  4080000c: 00061197            auipc gp,0x61                                  
  40800010: fe418193            addi  gp,gp,-28 # 40860ff0 

• 错误设置

_start:
  # initialize global pointer
  la gp, __global_pointer$
// 下面是反汇编
000000004080000c <_start>:
 4080000c: 0000118b            addigp  gp,0 # 40860ff0

• 其他设置

CFLAGS 传入， --Wl,-R,--gp=<address> 

怎么使能和禁止relaxation

默认开启

使用gcc链接，用如下参数禁止
    -Wl,--no-relax : 参数被传递给 链接器，影响链接时行为，即在链接时禁用所有的优化放松，即使汇编中已经使用了优化放松
    -mno-relax     ：参数被传递给 编译器，影响编译时行为，即在编译生成汇编代码时，不要使用放松优化