RISC-V 使用 LUI 和 ADDI 构建 32 位常量

Question

LUI（加载上位立即数）用于构建 32 位常量并使用 U 型格式。 LUI 将 U 立即数放在目标寄存器 rd 的前 20 位，用零填充最低的 12 位。

我在手册中找到了这个，但是如果我想将 0xffffffff 移动到寄存器，我需要的所有代码是：

LUI x2, 0xfffff000
ADDI x2, x2, 0xfff

但是出现了一个问题，ADDI 会将符号扩展为立即数数据为有符号数，因此0xfff将扩展为0xffffffff 。

它使x2到0xffffefff但不0xffffffff

将 32 位立即移动到寄存器的好方法是什么？

Answer 1

RISC-V 汇编器支持伪指令li x2, 0xFFFFFFFF 。

令N是一个有符号的 2 的补码 32 位整数。

li x2,N常见情况实现是：

    # sign extend low 12 bits
    M=(N << 20) >> 20

    # Upper 20 bits
    K=((N-M) >> 12) <<12

    # Load upper 20 bits
    LUI x2,K

    # Add lower bits
    ADDI x2,x2,M

当然，加载短立即li可以使用

   addi x2,x0,imm

所以， li x2, 0xFFFFFFFF是addi x2,x0,-1 。

Answer 2

TL;DR：您要加载到x2的 32 位常量是0xffffffff ，它对应于-1 。 由于-1在[-2048, 2047]范围内，因此可以使用单个指令加载此常量： addi x2, zero, -1 。 您还可以使用li伪指令： li, x2, -1 ，汇编程序反过来将其转换为addi x2, zero, -1 。

使用lui + addi序列加载 32 位常量

一般来说，我们需要一个lui + addi序列——两条指令——来将 32 位常量加载到寄存器中。 lui指令编码 20 位立即数，而addi指令编码 12 位立即数。 lui和addi可用于分别加载 32 位常量的高 20 位和低 12 位。

让N是一个我们想要加载到寄存器中的 32 位常量： N ≡ n ₃₁ ... n ₀ 。 然后，我们可以将这个常数分成高 20 位和低 12 位，分别为N _U和N _L ： N _U ≡ n ₃₁ ... n ₁₂ ； N _L ≡ n ₁₁ ... n ₀

原则上，我们编码N个_U在眼前的lui和N _L的眼前的addi 。 because the immediate value encoded in the addi instruction is to 32 bits.然而，如果addi 12 位立即数的最高有效位为 ，则处理起来很困难，因为addi指令中编码的立即数被为 32 位。 instead — -4096 (or -2 ¹² ) is the resulting number when the upper 20 bits are s and the lower 12 bits are s.如果是这种情况， addi指令将添加到目标寄存器而不是N _L ，而是 - -4096 （或 -2 ¹² ）是当高 20 位是和低 12 位时的结果数是秒。

为了补偿不希望长期-4096，我们可以添加1〜 lui的眼前- LSB的在不久的lui对应位＃12 -所以，在添加4096到抵消了目标寄存器加1，这个立竿见影的效果-4096项。

使用单个addi指令加载 32 位常量

上面解释的问题是由于直接 in addi经历的符号扩展。 决定扩展addi的立即数的决定可能是允许加载小整数-介于-2048和2047之间的整数，两者都包括在内 - 使用单个addi指令。 例如，如果addi中的立即数是零扩展而不是符号扩展，则不可能仅用一条指令将像-1这样的频繁常量加载到寄存器中。

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使用li伪指令加载 32 位常量

在任何情况下，您始终可以使用li伪指令加载 32 位常量，而不必关心要加载的常量的值是什么。 该伪指令可以将任何 32 位数字加载到寄存器中，因此它比手动编写lui + addi序列更易于使用且不易出错。

如果数字适合addi的立即数字段（ [-2048, 2047] ），汇编器会将li伪指令翻译成一条addi指令，否则， li将被翻译成lui + addi序列，上面解释的复杂情况是由汇编程序自动处理。

Answer 3

我本想说“使用ORI而不是ADDI ”，但后来我阅读了指令集手册，结果证明这也不起作用，因为所有低 12 个立即操作数都得到了符号扩展，即使对于逻辑操作也是如此.

AFAICT 您必须以预期用于设置低 12 位的指令的效果的方式来偏置您放入高 20 位的值。 所以如果你想在前 20 位得到一个值 X 并且你要使用ADDI来设置低 12 位，而那些低 12 位在最左边的位置有一个 1，你必须做LUI (X+1)而不是LUI X 。 同样，如果你要使用XORI来设置低12位，而那些低12位在最左边的位置是1，你必须做LUI (~X) （即LUI (~X)的按位逆）而不是LUI X .

但是在你做任何这些之前，我会看看你的汇编程序是否已经有某种“立即加载”伪操作或宏来为你处理这个问题。 如果没有，那么看看你是否可以写一个:-)

RISC 处理器需要程序员（或者更常见的是编译器）的这种额外努力并不罕见。 这个想法是“保持硬件简单，以便它可以快速运行，如果这会使构建软件变得更加困难，这并不重要”。

Answer 4

在实践中，如果可能的话，只需使用li伪指令让汇编器优化到一条指令（单个 lui 或单个 addi），如果不是，则为您进行数学计算。

   li    t0, 0x12345678
   li    t1, 123
   li    t2, -1
   li    t3, 0xffffffff    # same as -1 in 32-bit 2's complement
   li    t4, 1<<17

我用空格分隔了每个“组”。 只有第一个（进入t0 ）需要两条指令。

$ clang -c -target riscv32 rv.s         # on my x86-64 Arch GNU/Linux desktop
$ llvm-objdump -d rv.o
...
00000000 <.text>:
       0: 01 00         nop
       2: 01 00         nop

       4: b7 52 34 12   lui     t0, 74565
       8: 93 82 82 67   addi    t0, t0, 1656

       c: 13 03 b0 07   addi    t1, zero, 123

      10: fd 53         addi    t2, zero, -1

      12: 7d 5e         addi    t3, zero, -1

      14: b7 0e 02 00   lui     t4, 32

如果您确实想手动执行此操作，大多数 RISC-V（或至少 GAS/clang）的汇编程序都有%lo和%hi “宏”，因此您可以lui dst, %hi(value) / addi dst, dst, %lo(value) 。

   lui   x9, %hi(0x12345678)
   addi  x9, x9, %lo(0x12345678)

   lui   x10, %hi(0xFFFFFFFF)
   addi  x10, x10, %lo(0xFFFFFFFF)

用 clang 组装，再次用 llvm-objdump 反汇编：

      18: b7 54 34 12   lui     s1, 74565
      1c: 93 84 84 67   addi    s1, s1, 1656

      20: 37 05 00 00   lui     a0, 0
      24: 7d 15         addi    a0, a0, -1

请注意， lui a0, 0是对一条指令的愚蠢浪费，这是由于天真地在 0xffffffff 上使用 hi/lo 而没有意识到整个事情适合符号扩展的 12 位立即数。

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手动 %hi/%lo 有很好的用例，特别是对于地址，你有一个对齐的“锚”点，然后想要加载或存储到某个标签：

   lui   t0, %hi(symbol)

   lw    t1, %lo(symbol)(t0)
   lw    t2, %lo(symbol2)(t0)
   addi  t3, t0, %lo(symbol3)   # also put an address in a register
   ...
   sw    t1, %lo(symbol)(t0)

因此，与其浪费指令为每个符号做一个单独的 lui，如果你知道它们在同一个 2k 对齐的块中，你可以在汇编程序的帮助下相对于一个基数引用它们。 或者实际上是一个 4k 对齐的块，中间有“锚点”，因为%lo可以是负数。

（使用auipc的 PC 相关版本同样高效，但看起来有些不同： %pcrel_hi 和 %pcrel_lo 实际上是做什么的？ - %pcrel_lo 实际上引用了 %pcrel_hi 重定位以找出实际的目标符号以及相对参考的位置。）