RISC-V指令集讲解（3）I-Type 移位指令和U-type指令

1.I-Type 移位指令

上文RISC-V指令集讲解 (2) I-Type整数寄存器-立即数指令介绍了I-type中的6个指令，本文将继续介绍I-type中其余的整数寄存器-立即数指令(这里是属于I-type的移位指令)和U-type中的整数寄存器-立即数指令。

图1所示为移动次数为立即数的移位指令，后面会介绍其他的移位指令。从机器编码格式上可以看出这三个指令与上文提到的6个I-type指令有些不同，本文的I-immediate被分为两个部分：

imm[11:5]中的imm[10](机器码的bit 30)用来区分移位类型，其中SLLI和SRLI指令机器码的bit 30为0，而SRAI指令机器码的bit 30为1  [1]。

imm[4:0]或shamt[4:0](shift amount)意为移动量，可以看到SLLI，SRLI和SRAI的shamt的范围都是[4:0]，这是因为在RV32I中，最大的移位量是31位，也就是2^5 – 1。

图1 移位指令机器编码格式 [1]

1.1. SLLI

SLLI(shift left logical immediate)，立即数逻辑左移指令格式为 SLLI rd，rs1，shamt。x[rd] = x[rs1] ≪ shamt

其机器码如图2所示，SLLI的OP-IMM为001_0011，funct3为001，IMM[10]为0。移动多少位由imm[4:0]来决定。该指令将rs1中的值左移shamt[4:0]，rs1的低位补零，结果写入rd中。

示例：

SLLI  x13，x12，3

将x12寄存器中的值左移3位，并将结果写入x13寄存器中。

OP-IMM为001_0011

funct3为001

shamt为5’b0_0011

bit 25-31 为7’b000_0000

rs1为 5’b0_1100

rd为 5’b0_1101

所以SLLI x13，x12，3对应的机器码为0000000_00011_01100_001_01101_0010011，对应的16进制为32’h0036_1693

图2 SLLI机器编码格式 [2]

1.2. SRLI

SRLI(shift right logical immediate)，立即数逻辑右移指令格式为 SRLI rd，rs1，shamt。x[rd] = x[rs1] ≫ shamt

其机器码如图3所示，SRLI的OP-IMM为001_0011，funct3为101，IMM[10]为0。该指令将rs1中的值右移shamt[4:0]位，rs1的高位补零，结果写入rd中。

示例：

SRLI  x13，x12，5

x12寄存器中的值右移5位，并将结果写入x13中

图3 SRLI机器编码格式 [2]

1.3. SRAI

SRAI(shift right arithmetic immediate)，立即数算术右移指令格式为 SRAI rd，rs1，shamt。x[rd] =  x[rs1] ≫ shamt

其机器码如图4所示，SRAI的OP-IMM为001_0011，funct3为101，IMM[10]为1。该指令将rs1中的值右移shamt[4:0]位，rs1的高位由原rs1[31]填充(符号位填充)，结果写入rd中。

示例：

SRAI  x13，x12，3

将x12寄存器中的值算术右移3位，并将结果写入x13中 

图4 SRAI机器编码格式 [2]

注意：

SRLI，SRAI的OP-IMM和funct3编码皆相同，由imm[10]的值区别指令 [1]。

1.4. 举例区分算术右移和逻辑右移

注意区分算术右移和逻辑右移，例如1100_1100(这里以8-bit数进行说明，RV32I中寄存器中实际存储的数为32-bit)，

1100_1100算术右移三位，结果为1111_1001

0011_0011算数右移三位，结果为0000_0110

而1100_1100逻辑右移三位结果是0001_1001

0011_0011逻辑右移三位，结果为0000_0110

2.U-Type整数寄存器-立即数指令

这里介绍的两条U-type指令中的AUIPC不再是操作通用寄存器(x0-x31)，而是对程序计数器(program counter，PC)进行操作。

图5是LUI和AUIPC的机器码格式，将其与I-type的机器码进行比较，可以看到该类型没有rs1和funct3，取而代之的是一个20位的立即数(I-type中12位立即数的位置包含在内)。

注意U-type中的指令opcode是不相同的。与I-type相同的，U-type对应的immediate，固定为20位，被命名为U-immediate[31:12]，如图5所示。

图5 U-type 整数寄存器-立即数指令 [1]

2.1. LUI

LUI(load upper immediate)，高位立即数加载指令格式为 LUI rd，immediate。x[rd] = sext(immediate[31:12] << 12)

其机器码如图6所示，LUI的opcode为011_0111。该指令是把U-immediate写入rd的高20位，rd的低12位补零。

指令示例，

LUI x8，0xf0000

将0xf000_0000加载进x8寄存器中

opcode为011_0111

rd为5’b01000

immediate[31:12]为1111_0000_0000_0000_0000

其对应的32位机器码为1111_0000_0000_0000_0000_01000_0110111，用16进制化简后得到32’hF000_0437

图6 LUI机器编码格式 [2]

2.2. AUIPC

AUIPC(add upper immediate to PC)，PC加立即数指令格式为 AUIPC rd，immediate。x[rd] = pc + sext(immediate[31:12] << 12)

其机器码如图7所示，AUIPC的opcode为001_0111。该指令是将20位的立即数符号扩展后，左移12位，和当前的PC相加，结果写入rd寄存器。

图7 AUIPC机器编码格式 [2]

指令示例：

AUIPC x12，0xf00

将0xf0_0000加上当前的PC，加载进x12寄存器中。

注意：

大多立即数很小或需要所有XLEN位。 RISC-V选择了非对称立即拆分(常规指令中为12位，再加上20位特殊的上载立即指令，比如LUI)，以增加可用于常规指令的操作码空间 [1]。

AUIPC和JALR(后续文章会进行介绍)中的12位立即数的组合可以将控制权转移到任何32位PC相对地址，而AUIPC加上常规加载或存储指令中的12位立即数偏移量可以访问任何32位PC相对的数据地址。

当前的PC可以通过将AUIPC的U-immediate设置为0来获得。

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