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int-comp-instrs.md

File metadata and controls

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2.4 整型计算指令

大部分整型计算指令对保存在整型寄存器组(register file)里 XLEN 位的值进行运算。整型计算类的指令要么使用 I 格式编码来进行寄存器-立即数(register-immediate)运算,要么使用 R 格式编码来进行寄存器-寄存器(register-register)运算。寄存器-立即数和寄存器-寄存器两种类型的指令都使用寄存器 rd 存放目的操作数。整型计算类指令不会导致算术异常。

我们没有包含检测整型算术运算溢出的特殊指令集。大部分流行的编程语言不支持检测整型的溢出,一部分原因是大多数体系结构(architecture)是在程序运行时(runtime)检测整型算术的溢出,这需要付出很大的代价;另一部分原因是模运算(modulo arithmetic)有时是预期行为。

整型寄存器-立即数指令

整型算术逻辑类指令

ADDI 把符号位扩展后的 12位立即数和寄存器 rs1 相加,保存到寄存器 rd。算数溢出被忽略,只是简单地取计算结果的低 32位。 ADDI rd, rs1, 0 被用来实现 MV rd, rs1 汇编伪指令。

SLTI(set less than immediate):当两个操作数都被看作是有符号数时,如果寄存器 rs1 的值小于符号位扩展后的立即数则将 rd 寄存器置 1,否则置 0。SLTIUSLTI 相似,不过比较的数值视作无符号数(也就说,先将立即数符号位扩展为 32 位,然后把它看作无符号数)。 注意SLTIU rd, rs1, 1 ,若 rs1 等于 0 ,rd 的值置为 1,否则为 0(汇编伪指令 SEQZ rd, rs)。

ANDIORIXORI 是逻辑运算,对寄存器 rs1 和被符号位扩展的 12 位立即数进行按位 异或 运算,把结果存到 rd 寄存器。 注意: XORI rd, rs1, -1 对寄存器 rs1 执行按位逻辑取反运算(汇编伪指令 NOT rd, rs )。

整型移位类指令

移位量是常数的移位操作被编码成一种特殊的 I 格式。被移位的操作数存放在寄存器 rs1 上,移位量被编码在 I 型立即数的低五位字段里。右移的类型(算术或是逻辑)被编码在 I 型立即数的一个高位上(上图中看出是 imm[10])。SLLI 是逻辑左移(低位补 0);SRLI 是逻辑右移(高位补 0);SRAI 是算术右移(高位补符号位)。

整型装高位立即数类指令

LUI(load upper immediate)被用来构建 32 位常数,使用的是 U 型立即数。LUI 把 U 型立即数放到目的寄存器 rd 的高 20 位上,低 12 位补 0。

AUIPC(add upper immediate to pc)被用来构建 PC 相对的地址,使用的是 U 型立即数。 AUIPC 以低 12 位补 0,高 20 位是 U 型立即数的方式形成 32 位偏移量,然后和 PC 相加,最后把结果保存在寄存器 rd。

对于控制流的转移(control-flow transfers)和访问数据,AUIPC 指令支持使用两条指令序列访问基于 PC 的任意偏移量(access arbitrary offsets from the PC)。 AUIPCJALR 里的 12 位立即数的组合,能够转移控制到任意的 32 位 PC 相对地址( AUIPC 先把 32位立即数的高 20 位,补上低 12 位全 0跟 PC 相加,把结果存到某个寄存器里, JALR 再把这个寄存器和 32 位立即数的低 12 位相加,跳转到相加得到的目标地址。也就是实现了 32 位立即数加上 PC的目标地址),而 AUIPC 加上正常的(regular)取数和存数指令里的 12 位偏移量,能访问任意的 32 位 PC 相对数据地址(AUIPC 先把 32 位立即数的高 20 位,补上低 12 位全 0 跟 PC 相加,把结果存到某个寄存器里, 取数和存数指令再把这个寄存器和 32 位立即数的低 12 位相加,相加的结果为访问数据的目标地址。也就是实现了 32 位立即数加上 PC 的目标地址)。

获取当前 PC 的值可以通过(使用 AUIPC 指令并)把 U 型立即数置为全 0。尽管一个 JAL+4 指令也能用来获取当前 PC 值,但这可能会导致在很简单的微体系结构里打断流水线(cause pipeline breaks),或是在更复杂的微体系结构里破坏(pollute)BTB 结构

整型寄存器-寄存器指令

RV32I 定义了几种算术 R格式的指令。所有指令读取源操作数寄存器 rs1rs2,把运算结果写到寄存器 rdfunct7funct3 字段(这里的 7 和 3 表示字段的位数)选择运算类型。

整型寄存器-寄存器指令

ADDSUB 分别执行加法和减法运算。忽略溢出并把结果的低 32 位写到目的寄存器。 SLTSLTU 分别执行有符号和无符号的比较,若 rs1 < rs2 则把 rd 置 1,否则置 0。 注意: SLTU rd, x0, rs2 (x0 是 0 号寄存器)若 rs2 不等于 0 把 rd 置 1,否则置 0(汇编伪指令 SNEZ rd, rs )。 ANDOR , 和 XOR 执行按位逻辑操作。

SLLSRLSRA 以寄存器 rs2 的低五位作为移位量,分别对寄存器 rs1 的值执行逻辑左移,逻辑右移和算术右移运算。

NOP 指令

整型寄存器-寄存器指令

NOP 指令不会改变任何用户可见的状态,除了增加 PC(except for advancing the pc)。 NOP 被编码成 ADDI x0, x0, 0

NOPs 可以被用来让代码片段在微体系结构上进行有效地址边界的对齐(align code segments to microarchitecturally significant address boundaries),或者留给修改内联(inline)代码的空间。尽管有多种编码 NOP 指令的方式,我们定义了标准的(canonical)NOP 编码格式,允许微体系结构的优化和使得反汇编输出更易读。