3.3　加載與存儲指令

和其他RISC體系結(jié)構(gòu)一樣，RISC-V體系結(jié)構(gòu)也基于加載和存儲的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。在這種體系結(jié)構(gòu)下，所有的數(shù)據(jù)處理都需要在通用寄存器中完成，而不能直接在內(nèi)存中完成。因此，要先把待處理數(shù)據(jù)從內(nèi)存加載到通用寄存器，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后把結(jié)果寫回內(nèi)存中。

1．加載指令

加載指令的格式如下。

l{d|w|h|b}{u} rd,  offset(rs1)

其中，相關(guān)選項(xiàng)的含義如下。

● {d|w|h|b}：表示加載的數(shù)據(jù)寬度。加載指令如表3.1所示。

● {u}：可選項(xiàng)，表示加載的數(shù)據(jù)為無符號數(shù)，即采用零擴(kuò)展方式。如果沒有這個(gè)選項(xiàng)，則加載的數(shù)據(jù)為有符號數(shù)，即采用符號擴(kuò)展方式。

● rd：表示目標(biāo)寄存器。

● rs1：表示源寄存器1。

● (rs1)：表示以rs1寄存器的值為基地址進(jìn)行尋址，簡稱rs1地址。

● offset：表示以源寄存器的值為基地址的偏移量。offset是12位有符號數(shù)，取值范圍為[?2048, 2047]。

表3.1　加載指令

上述加載指令的編碼如圖3.3所示，其中opcode字段都是一樣的，唯一不同的是funct3字段。

圖3.3　加載指令的編碼

【例3-2】　下面的代碼使用了加載指令。

1    li t0, 0x80000000
2
3    lb t1, (t0)
4    lb t1, 4(t0)
5    lbu t1, 4(t0)
6    lb t1, -4(t0)
7    ld t1, (t0)
8    ld t1, 16(t0)

第1行是一條偽指令，表示把立即數(shù)加載到t0寄存器中。

在第3行中，從以t0寄存器的值為基地址的內(nèi)存中加載1字節(jié)的數(shù)據(jù)到t1寄存器，并對這1字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行符號擴(kuò)展。符號擴(kuò)展是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)把小字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成大字節(jié)數(shù)據(jù)的規(guī)則之一，它將符號位擴(kuò)展至所需要的位數(shù)。例如，一個(gè)8位的有符號數(shù)為0x8A，它的最高位（第7位）為1，因此在做符號擴(kuò)展的過程中，高字節(jié)部分需要填充為0xFF，如圖3.4所示，符號擴(kuò)展到64位的結(jié)果為0xFFFF FFFF FFFF FF8A。

圖3.4　符號擴(kuò)展

在第4行中，以t0寄存器的值為基地址加上4字節(jié)的偏移量為內(nèi)存地址（0x8000 0004），再從這個(gè)內(nèi)存地址中加載1字節(jié)的數(shù)據(jù)到t1寄存器中，并對該字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行符號擴(kuò)展。

第5行中的指令與第4行中的指令基本類似，不同之處在于該字節(jié)的數(shù)據(jù)不會做符號擴(kuò)展，即按照無符號數(shù)處理，因此高字節(jié)部分填充為0，稱為零擴(kuò)展，如圖3.5所示。

圖3.5　零擴(kuò)展

在第6行中，以t0寄存器的值為基地址減去4字節(jié)的偏移量為內(nèi)存地址（0x7FFF FFFC），再從這個(gè)內(nèi)存地址中加載1字節(jié)的數(shù)據(jù)到t1寄存器中，并對該字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行符號擴(kuò)展。

在第7行中，從以t0寄存器的值為基地址的內(nèi)存中加載8字節(jié)的數(shù)據(jù)到t1寄存器中。

在第8行中，以t0寄存器的值為基地址加上16字節(jié)的偏移量為內(nèi)存地址（0x8000 0010），再從這個(gè)內(nèi)存地址中加載8字節(jié)的數(shù)據(jù)到t1寄存器中。

【例3-3】　下面的代碼使用LUI加載立即數(shù)。

lui t0, 0x80200
lui t1, 0x40200

在第1行中，首先把0x80200左移12位得到0x8020 0000，然后進(jìn)行符號擴(kuò)展，最后結(jié)果為0xFFFF FFFF 8020 0000。

在第2行中，首先把0x40200左移12位得到0x4020 0000，然后進(jìn)行符號擴(kuò)展，因?yàn)樽罡呶粸?，所以最后結(jié)果為0x4020 0000。

【例3-4】　下面的代碼有錯誤。

lb a1, 2048(a0)
lb a1,-2049(a0)

上述指令的偏移量超過了取值范圍，匯編器會報(bào)錯。

AS   build_src/boot_s.o
src/boot.S: Assembler messages:
src/boot.S:6: Error: illegal operands 'lb a1,-2049(a0)'
src/boot.S:7: Error: illegal operands 'lb a1,2048(a0)'
make: *** [Makefile:28: build_src/boot_s.o] Error 1

2．存儲指令

存儲指令的格式如下。

s{d|w|h|b} rs2,  offset(rs1)

其中，相關(guān)選項(xiàng)的含義如下。

● {d|w|h|b}：表示存儲的數(shù)據(jù)寬度。根據(jù)數(shù)據(jù)的位寬，存儲指令的分類如表3.2所示。

● rs1：表示源寄存器1，用來表示基地址。

● (rs1)：表示以rs1寄存器的值為基地址進(jìn)行尋址，簡稱rs1地址。

● rs2：表示源寄存器2，用來表示源操作數(shù)。

● offset：表示以源寄存器的值為基地址的偏移量。offset是12位有符號數(shù)，取值范圍為[?2048, 2047]。

表3.2　存儲指令的分類