CS61C Lecture08: RISC-V lw, sw, Decision 1

一、RISC-V 内存操作指令

1. 寄存器与内存特性

32个寄存器（x0-x31）速度比内存快约50倍
特殊用途寄存器：
x0 (zero): 恒为0
sp (x2): 栈指针
ra (x1): 返回地址
a0-a7 (x10-x17): 函数参数/返回值
s0-s11 (x8-x9, x18-x27): 保存寄存器
t0-t6 (x5-x7, x28-x31): 临时寄存器

2. 内存访问指令

指令	格式	功能	特点
lw	lw rd, offset(rs1)	从内存加载32位字	偏移量必须是4的倍数
sw	sw rs2, offset(rs1)	存储32位字到内存	数据流向：寄存器 → 内存
lb	lb rd, offset(rs1)	加载字节（符号扩展）	用于char类型处理
lbu	lbu rd, offset(rs1)	加载字节（零扩展）	处理无符号字符
sb	sb rs2, offset(rs1)	存储字节	仅存储低8位

内存对齐原则： - 32位字必须位于4字节对齐地址 - 示例：int数组访问时，地址偏移量总是4的倍数（假设int为4字节）

二、立即数操作

1. addi 指令

addi rd, rs1, imm  # rd = rs1 + sign_extend(imm)

- 立即数范围：12位有符号数（-2048 ~ 2047） - 扩展机制：符号扩展到32位

2. 大立即数处理

使用lui（Load Upper Immediate）指令加载高20位：

lui x5, 0x12345    # x5 = 0x12345 << 12
addi x5, x5, 0x678 # x5 = 0x12345678

三、条件分支指令

1. 基础分支指令

指令	功能	伪代码表示
beq	相等时跳转	if (rs1 == rs2) PC += offset
bne	不等时跳转	if (rs1 != rs2) PC += offset
blt	有符号小于时跳转	if (rs1 < rs2) PC += offset
bltu	无符号小于时跳转	if (rs1 < rs2) PC += offset
bge	有符号大于等于时跳转	if (rs1 >= rs2) PC += offset

2. 分支指令特点

地址范围限制：±4KB范围（12位立即数 × 4字节）
延迟槽：RISC-V无延迟槽，直接顺序执行

3. 条件判断模式

if-else结构示例：

if (i == j) { ... } else { ... }

    bne x13, x14, Else  # 相反条件判断
    # if-block
    j Exit
Else:
    # else-block
Exit:

四、内存层次结构与优化

1. 存储技术对比

类型	速度	容量	用途
SRAM	最快	最小	CPU缓存
DDR SDRAM	中等	大	主内存
HBM	较高	较大	GPU/高性能计算

2. 局部性原理

时间局部性：最近访问的数据可能再次被访问
空间局部性：相邻内存位置可能被访问
编程实践：优化数据访问模式（如行优先遍历数组）

五、编译器优化策略

1. 寄存器分配优化

优先使用临时寄存器（t0-t6）
减少保存寄存器（s0-s11）的溢出操作
循环展开减少分支指令

2. 典型优化案例

// 原始代码
for (int i=0; i<100; i++) {
    sum += array[i];
}

// 优化后汇编可能使用：
// 1. 指针算术替代数组索引
// 2. 循环展开4次减少分支判断
// 3. 寄存器保留sum避免内存访问

六、重点概念对比

概念	有符号处理	无符号处理
加载字节	lb（符号扩展）	lbu（零扩展）
比较指令	blt/bge	bltu/bgeu
溢出处理	补码运算	模运算

七、常见问题解析

为什么偏移量要是4的倍数？
RISC-V采用32位字长，4字节对齐提高访问效率
非对齐访问需要多次内存操作
如何处理超过12位的立即数？
使用lui加载高20位
配合addi/add处理低12位
示例：加载0x12345678 → lui + addi
如何实现switch语句？
使用跳转表（Jump Table）

通过slli计算偏移量

slli x10, x5, 2   # 索引×4（每条指令4字节）
add x10, x10, x6   # x6存储跳转表基址
lw x11, 0(x10)     # 获取目标地址
jr x11             # 跳转