C 函数怎样变成机器程序

本篇的核心问题是：C 里的函数、局部变量、参数和返回值，怎样落到寄存器、栈和内存地址上？第 03 篇已经把一条指令解释为 PC、寄存器和内存的状态转移；这一篇在 ISA 之上加一层 ABI（Application Binary Interface，应用二进制接口）。ISA 规定一条机器指令怎样改变架构状态，ABI 规定多个编译单元、函数和库怎样约定寄存器用途、参数位置、返回值位置、栈对齐和可调用边界。

目标 ABI 选为 RISC-V psABI 的 ILP32 方向：整数寄存器 XLEN 为 32，int、long、指针宽度都是 32 位。RISC-V psABI 的整数调用约定把 x10 到 x17 命名为 a0 到 a7，用于参数和返回值；x1 是返回地址 ra；x2 是栈指针 sp；s0 到 s11 是被调用者保存寄存器。当前本机 Apple clang 21 不含 RISC-V 后端，不能生成真实 RV32I 目标文件，因此 RV32I ABI 只做规则和手算；同时用本机 AArch64 真实编译与反汇编展示“参数寄存器、返回值寄存器、返回地址和栈帧”这些 ABI 机制在另一套真实目标上怎样出现。

证据等级：手算、功能执行。手算部分追踪一个叶子函数和一个显式循环；功能执行部分复用 examples/computer-architecture/base/ 的 RV32I 子集执行器，证明同一套寄存器/内存约定可以执行求和与条件循环。工具缺口在文末单列。

C 语义先约束“允许什么”，ABI 再约束“放在哪里”

考虑一个短函数：

int sum5(const int *a) {
    int s = 0;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        s += a[i];
    }
    return s;
}

C 语言层面关心的是 a 指向至少 5 个 int，每次读取一个元素，累加不发生有符号溢出，最后返回 int。WG14 对 C11 的说明指出，公开可得的 N1570 是接近 C11 正式标准的工作草案；这里用它限定语言层事实。C 中有符号整数溢出属于未定义行为，不能拿“某台机器上补码回绕”的结果反推 C 语言保证。本文避开溢出，输入选择 3,4,5,6,7。

ABI 层面关心另一组问题：指针参数放在哪个寄存器，返回值放在哪个寄存器，函数调用前后哪些寄存器必须保持，栈指针怎样调整。RISC-V psABI 规定前八个整数参数走 a0-a7，前两个返回值也走 a0-a1。如果 sum5 是叶子函数并且只用临时寄存器，它可以不建立栈帧；一旦需要调用其他函数、保存返回地址或保留 callee-saved 寄存器，就必须按约定维护栈。

一个叶子函数的寄存器分配

手写一个符合直觉的 RV32I 版本，可以这样分配：

C 对象	可能的寄存器	说明
参数 `a`	`a0` / `x10`	调用者传入的指针
循环计数 `i`	`t0` / `x5`	调用者不要求保留
累加器 `s`	`a0` / `x10` 或 `t1`	返回前放入 `a0`
临时元素	`t2` / `x7`	每次 `lw` 后累加

这张表不是唯一答案。编译器可以换寄存器，可以展开循环，可以把 s 直接放在 a0，也可以在优化级别不同的时候生成更多访存。ABI 只规定函数边界可见的事实：参数怎样进来，返回值怎样出去，哪些寄存器由谁负责恢复。函数内部的寄存器选择属于编译器优化空间。

为了和第 03、07 篇共用执行器，基础实验没有直接使用 a0/t0 名称，而使用更短的教学程序：x1 保存数组指针，x2 保存计数，x3 保存累加器，x4 保存当前元素。它不是 psABI 函数，只是同一计算的裸机指令流。

0x08000093  # addi x1,x0,128
0x00500113  # addi x2,x0,5
0x00000193  # addi x3,x0,0
0x0000a203  # lw   x4,0(x1)
0x004181b3  # add  x3,x3,x4
0x00408093  # addi x1,x1,4
0xfff10113  # addi x2,x2,-1
0xfe0118e3  # bne  x2,x0,-16
0x08302a23  # sw   x3,148(x0)

裸机程序的好处是边界清楚：没有 C 运行时、没有系统调用、没有链接器脚本、没有启动代码。代价也清楚：它不能证明真实编译器会生成同样的寄存器分配。

栈帧只在边界需要时出现

很多初学者会把“函数调用”直接等同于“必有栈帧”。这不准确。栈是 ABI 提供的一块内存约定，用来保存寄存器、放溢出参数、容纳局部对象和维持调用链。一个不调用其他函数、局部变量都能放进寄存器的叶子函数，可以没有栈帧。一个需要调用别的函数的函数，至少要处理返回地址和调用后仍需保留的值。

假设有一个函数：

int add_then_call(int x, int y) {
    int z = x + y;
    return helper(z) + z;
}

helper 调用会覆盖 ra，也可能覆盖调用者保存寄存器。若 z 在调用后还要使用，要么放到 callee-saved 寄存器并保存恢复，要么放到栈槽里。这里的“保存”不是 C 语法要求，而是 ABI 对跨函数边界的二进制协作要求。

伪指令和真实编码要分开

汇编里常见的 li、mv、nop 往往是伪指令。它们便于人写，但不是机器必须拥有的真实 opcode。比如 mv x5,x6 通常可展开成 addi x5,x6,0，nop 可展开成 addi x0,x0,0。第 03 篇中的机器码只出现真实编码，不依赖伪指令。

这个区分会影响调试。阅读反汇编时，工具可能把真实机器码显示成伪指令形式，也可能按基础指令显示。文章里讨论 ISA 语义时，应回到真实编码和字段；讨论程序员意图时，伪指令可以作为读写便利。

本机 AArch64 编译证据：同一个问题在真实目标上长什么样

为了不把工具缺口变成整篇文章的空洞，基础实验增加了一个本机可编译样例 examples/computer-architecture/base/src/abi_sample.c：

NOINLINE int helper(int z) {
    return z * 2 + 1;
}

NOINLINE int add_then_call(int x, int y) {
    int z = x + y;
    return helper(z) + z;
}

运行脚本会用 Apple clang 21 在本机 arm64 上生成汇编和反汇编：

1
2
3

cc -std=c11 -Wall -Wextra -pedantic -O0 -fno-omit-frame-pointer -S src/abi_sample.c -o outputs/abi_sample_aarch64.s
cc -std=c11 -Wall -Wextra -pedantic -O0 -fno-omit-frame-pointer -c src/abi_sample.c -o build/abi_sample.o
/Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin/llvm-objdump -d build/abi_sample.o > outputs/abi_sample_aarch64_objdump.txt

add_then_call 的关键反汇编如下：

1c: d10083ff      sub sp, sp, #0x20
20: a9017bfd      stp x29, x30, [sp, #0x10]
24: 910043fd      add x29, sp, #0x10
...
40: b94007e0      ldr w0, [sp, #0x4]
44: 94000000      bl  0x44 <_add_then_call+0x28>
...
50: a9417bfd      ldp x29, x30, [sp, #0x10]
54: 910083ff      add sp, sp, #0x20
58: d65f03c0      ret

可下载附件：abi_sample.c、abi_sample_aarch64.s、abi_sample_aarch64_objdump.txt、environment.txt。

这段证据来自真实工具链，但它支撑的是 AArch64 ABI，不是 RISC-V ABI。w0/w1 是 AArch64 的参数/返回寄存器，x30 是 link register，x29 常用作 frame pointer；RISC-V 对应的是 a0/a1、ra 和 sp/s0 这套命名。两者的共性是 ABI 都要解决同一类问题：参数从哪里进、结果从哪里出、调用后如何回到调用者、跨调用仍要用的值由谁保存。

RV32I 工具链验证的实际边界

写作时检查了本机工具：

1 2	`Apple clang version 21.0.0 (clang-2100.3.34.2) Target: arm64-apple-darwin27.0.0`

尝试 clang --target=riscv32-unknown-elf -march=rv32i -mabi=ilp32 失败，错误为没有兼容的 RISC-V target。Apple llvm-objdump --version 只列出 AArch64、ARM、WebAssembly、x86 等 target。第 04 篇因此不填写“真实 RISC-V 编译并反汇编首个循环已完成”。这个缺口不阻止 ABI 概念和裸机轨迹教学，但它限制了本文能支持的结论：RV32I 部分是 psABI 规则、手算和教学功能执行，AArch64 部分才是本机真实编译/反汇编。

已完成的功能执行证据是：

1	`{"halt":"pc_at_end","steps":29,"x0":0,"x1":148,"x3":25,"mem148":25,"mem160":0}`

对应附件：sum.jsonl。这份轨迹只用于 RV32I 裸机手算对照，不替代 RISC-V 目标文件反汇编。

它说明手写裸机循环在教学执行器里得到了正确结果。它不说明编译器会选择同样的寄存器，也不说明 ABI 栈帧已经被真实目标文件验证。

验收

本篇验收标准是能区分三层事实。C 语言层负责表达“这个函数允许产生什么结果”；ABI 负责表达“函数边界上参数、返回值、返回地址和保存责任怎样约定”；机器码负责表达“每一条指令怎样改变寄存器、内存和 PC”。读者还应能指出 AArch64 真机反汇编与 RV32I 手算各自能证明什么，不能把一套 ABI 的寄存器名直接套到另一套 ISA 上。