10 RISC V Addressing for Wide Immediates and Addresses

Wide Immediate Operands

尽管常数很多时候少于 12 比特，但是也有更长的时候。

lui（load upper immediate）可以将 20 比特常数加载到寄存器的 12 到 31 位。最右边的 12 个比特位置为零。因此 32 比特的常数可以通过两个指令表示出来。lui 是 U 型指令，相比其他类型指令，能够处理更大的常数。

Loading a 32-Bit Constant

如何将如下 32 位常数加载到寄存器 x19 中？

00000000 00111101 00000101 00000000

首先利用 lui 加载 12 到 31 比特。

lui x19, 976  // 976_decimal = 0000 0000 0011 1101 0000

此时 x19 寄存器的值是

00000000 00111101 00000000 00000000

然后再加上低 12 比特的值。

addi x19, x19, 1280  // 1280_decimal = 00000101 00000000

可以想见，立即数的大小还会限制加载或存储内存的地址的范围。RISC-V 的汇编语言并没有这个限制，但是汇编器的作者不得不考虑这个问题。

Addressing in Branches

跳转指令只有 12 比特大小的立即数，那么只能表示 4K 大小，后面会解释一种特殊的编码，使得跳转范围可以是 $\pm 4K$ 。bne 是 SB 类型的指令，7 位操作码，3 位函数码，两个 5 比特长度表示寄存器信息，只有 12 比特表示立即数了。

bne x10, x11, 2000  // if x10 != x11, go to location 2000_{10} = 0111 1101 0000

jal 类似，只是立即数有 20 比特大小。

jal x0, 2000  // go to location 2000_{10} = 0111 1101 0000

如果跳转范围只有 20 比特的地址，那么程序必须很小，不合理。不过，这个值可以表示基于某个寄存器的偏移量，这样的话就能跳转到任意位置。

现在的问题是：以哪个寄存器为准？大部分（SPEC 基准测试有一半分值跳转）if, while 跳转的地址在当前地址的 16 个指令以内，所以基于 PC 寄存器，可以分支跳转到偏移量在 $\pm 2^{10}$ 以内的字（word)处或者跳转到 $\pm 2^{18}$ 字处。这足够大部分场景使用了，所以 PC 是一个不错的选择。这种方法称为相对 PC 寻址（PC-relative addressing）。

但是不得不考虑超过这个范围的情况。RISC-V 提供了两条指令来完成这个事情，lui 加载 12 到 31 比特信息到某个寄存器，jalr 有 12 位的立即数，跳转到寄存器加上 12 位立即数的地方。

RISC-V 指令四字节长，不过设计时希望支持二字节长的指令，所以跳转指令的偏移量表示从寄存器的基准地址偏移半字的长度，所以支持的跳转范围比 $2^n$ 字节大一倍。jal 是 $\pm 2^{19}$ 半字，即 $\pm 1MiB$ 的范围，12 比特的分支跳转范围也是半字，范围是 13 个比特能够表示的范围。

Showing Branch Offset in Machine Language

之前有一段简单的 C 代码

while (save[i] == k)
    i += 1;

对应的汇编代码是

Loop:   slli x10, x22, 2   // Temp reg x10 = i * 4
        add x10, x10, x25  // x10 = address of save[i]
        lw x9, 0(x10)      // Temp reg x9 = save[i]
        bne x9, x24, Exit  // go to Exit if save[i] != k
        addi x22, x22, 1   // i = i + 1
        beq x0, x0, Loop   // go to Loop
Exit:

假定循环开始的指令位置是 8000，那么汇编代码对应的机器代码是

Address	Instruction	Instruction	Instruction	Instruction	Instruction	Instruction
80000	0000000	00010	10110	001	01010	0010011
80004	0000000	11001	01010	000	01010	0110011
80008	0000000	00000	01010	011	01001	0000011
80012	0000000	11000	01001	001	01100	1100011
80016	0000000	00001	10110	000	10110	0010011
80020	1111111	00000	00000	000	01101	1100011

第一个 bne 是从当前位置 80012 向后跳转到 80020 的后面，所以偏移量是 12，第二个 bne 回到循环头部，偏移量是 -20。这里感觉原书有一个印刷错误，最后一行倒数第二个值应该是 01100，和前面的 1111111 是 -20 的补码。

偶尔需要跳转到 12 比特地址之外的地方，那么一个可行的方式是反转条件跳转的判断条件，后面跟着一个无条件跳转。比如下面的例子。

Branching Far Away

下面的汇编是根据 x10 是否等于零跳转到 L1

beq x10, x0, L1

替换为下面一对指令，能跳转到更远的地方

    bne x10, x0, L2
    jal x0, L1
L2:

RISC-V Addressing Mode Summary

多种寻址方式称为寻址模式（addressing modes）。下图展示了 RISC-V 支持的几种寻址模式。 * 立即寻址（immediate addressing）：操作数是常量，包含在指令里 * 寄存器寻址（register addressing）：操作数是寄存器。 * 基地址寻址（Base or displacement addressing）：操作数是内存的某个地址，地址寄存器的值与指令的立即数之和。 * 相对 PC 寻址（PC-relative addressing）：跳转地址是 PC 地址和偏移量之和。