設 A = 指令中的位址欄位、R = 暫存器編號、EA = 有效位址(運算元實際所在)。

位移定址的三種化身

位移(displacement)= 基底 + 偏移,依「誰當基底」有三種經典用法:

1. 相對定址:基底 = PC。分支目標多在附近,短偏移即可;且程式位置無關。RV32I 所有分支與 jal 都是 PC 相對。

2. 基底暫存器定址:R 存結構/區段起點,A 為欄位偏移——存取 struct 成員、堆疊區域變數(lw t0, 8(sp))。

3. 索引定址:A 為陣列起點,R 為索引;搭配自動增量可高效走訪陣列(部分 ISA 提供 post-increment;RISC-V 基礎集不提供,由編譯器強度削減達成)。

slli t1, t0, 2       # t1 = i * 4
add  t1, t1, s0      # t1 = &A + i*4  (s0 存 &A)
lw   t2, 0(t1)       # t2 = A[i]

指令格式設計

指令長度

最根本的取捨:

• 變長指令(x86:1–15 位元組):編碼緊湊、劇目豐富;但解碼複雜——不知道這條多長,就不知道下一條在哪,平行解碼困難。

• 定長指令(RV32I:固定 32 位元):解碼簡單、提取規律、管線友善;代價是密度較低。RISC-V 的 C 擴展(16 位元壓縮指令)在保住解碼簡單性的前提下拿回密度。

欄位分配

opcode 位元數 vs. 位址位元數的拉鋸。技巧包括:擴展 opcode(部分編碼點展開為更長的 opcode)、依指令類型使用不同欄位佈局。原則:愈常用的資訊,位置愈固定——解碼器可以並行地「猜」。

RV32I 的六種指令格式

• R 型:暫存器—暫存器運算(add, sub, sll, slt, xor, or, and...);funct7+funct3+opcode 共同決定運算。

• I 型:立即值運算(addi...)、載入(lw)、jalr;12 位元帶號立即值。

• S 型:儲存(sw);立即值拆為兩段,讓 rs1/rs2 欄位與 R 型完全對齊。

• B 型:分支;偏移單位為 2 位元組(imm[0] 隱含為 0),\(\pm\)4 KiB 範圍。

• U 型:lui/auipc;20 位元高位立即值。

• J 型:jal;\(\pm\)1 MiB 範圍。

組譯器視角:偽指令

RV32I 沒有「載入 32 位元常數」的單一指令,以 lui(高 20 位)+addi(低 12 位)合成;組譯器以偽指令隱藏細節:li t0, 0x12345678 自動展開為兩條。常見偽指令:mv, not, neg, nop, j, ret, call, beqz(第 19 章詳述)。

本章重點回顧

複習問題

1. 間接定址 EA=(A) 為何需要兩次記憶體參考?暫存器間接如何改善?

2. PC 相對定址為何使程式「位置無關」?這對動態連結有何意義?

3. 手工編碼 addi x5, x6, -1 為 32 位元機器碼(十六進位)。

4. 為什麼 S 型要把立即值拆成兩段?好處是什麼?

5. B 型立即值為何不含 bit 0?分支範圍因此是多少?

6. 以 lui+addi 合成 li t0, 0xDEADBEEF;注意 addi 立即值符號延伸造成的修正問題。