RISC-V: PC绝对地址 vs PC相对地址

Question

我是RISC-V的新手。

我在理解何时编写PC(Program Counter)相对指令以及何时编写PC绝对指令方面遇到了困难。

例如，使用lui指令后跟jalr指令被认为是PC-absolute，而使用auipc指令后跟jalr指令被认为是PC-relative。

据我所知，所有指令都将由PC执行，因此进行此类PC绝对指令似乎是隐藏的（即没有PC的知识）。

对我来说，那些PC-absolute指令将不会被执行。

有人能提供一些基本示例来帮助我理解吗？

- c3r0

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通常不会说“PC-absolute”，只说“absolute”（不相对于任何东西）。 - Peter Cordes

Answer 1

我认为你遇到的问题是“PC-absolute”这个概念实际上不存在。你的选项是“PC relative”和“absolute”。RISC-V定义了两条寻址指令，允许有效地实现这些模式：

• lui（Load Upper Immediate）：将rd设置为32位值，其中低12位为0，高20位来自U类型立即数。
• auipc（Add Upper Immediate to Program Counter）：将rd设置为当前PC与32位值之和，低12位为0，高20位来自U类型立即数。

这些指令本质上是相同的：它们都使用U类型立即数（即32位数量的高20位），将其加到某些东西上，并将结果产生在rd中。区别在于lui将该立即数添加到0，而auipc将该立即数添加到PC。有时更容易将这两种寻址模式视为“PC-relative”和“0-relative”，因为这使得区别更加明显。 虽然auipc和lui都被设计为两个指令对中的第一条指令，但第二条指令并不特别相关。 auipc和lui都填充了32位地址的高20位，使它们配对的指令填充了低12位。格式为I和S的指令在这里很好地配对，而基本ISA中的每个指令都有一个I或S变体，适合使用这种格式。 以下C代码是一个具体的例子，执行非常简单：

int global;
int func(void) { return global; }

作为例子，假设全局变量global的地址是0x20000004，func函数中第一条指令的程序计数器(PC)为0x10000008。

当使用-mcmodel=medlow进行编译（一种0相对地址模式），你会得到：

func:
    lui a0, 0x20000
    lw  a0, 0x004(a0)

如您所见，全局变量的完整绝对地址（0x2000004）填充到指令对中。另一方面，在使用-mcmodel=medany时（采用PC相对寻址模式），您将得到

func:
    auipc a0, 0x10000
    lw    a0, 0x004(a0)

这一次，指令对之间仅出现了auipc的PC和目标符号之间的偏移量。这是因为在寻址计算中，通过auipc指令明确地包含了PC。在本例中，auipc将a0设置为0x2000004：所执行的计算是a0 = PC + (imm20 << 12)，这里的PC为0x10000004，而imm20为0x10000。

这些基于PC的寻址序列还允许适度的位置独立性：如果你非常小心地限制你要做的事情，就可以生成链接二进制文件，在加载到与链接位置不同的偏移量时仍然能够正常工作。但实践中，这对于POSIX样式系统的完全位置无关寻址来说不足（这也是我们像其他人一样有一个-fPIC参数的原因），但如果你位于严格受限的嵌入式系统中，则可能能够得逞。

最后，就像RISC-V ISA中的几乎所有其他内容一样，auipc和lui使用的即时数被扩展到XLEN位。在32位系统上，这些寻址模式可以生成系统中的任何地址，但对于64位系统而言情况并非如此。这就是为什么我们称这些寻址模式为“medany”和“medlow”的原因：“med”代表“medium”，意味着4GiB窗口，其中必须适配所有全局符号。 “low”表示该窗口以绝对地址0为中心，而“any”则表示该窗口以链接到的任何PC为中心。

- Palmer Dabbelt

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我认为这里有错别字。例子中global在0x20000008处，func在0x10000004处有效，但周围的文本说“global在0x20000004处，func第一条指令的PC是0x10000008”，以及“全局变量global的绝对地址（0x2000004）”。 - ottomeister

抱歉，我知道这是一个老问题。为什么lui的立即数需要符号扩展？它不只是将所有内容左移12位吗？我指的是32位riscv。 - Plasty Grove

Answer 2

相对PC
绝对

如果地址是相对于代码本身的地址计算，您将某些指令（或代码）称为“相对PC”。

当地址不是相对于指令本身的地址计算时，您将指令称为“绝对”。

不幸的是，我不了解RISC V CPU，但以下示例适用于（旧的）68000 CPU，以说明其含义：

x:
    lea.l (PC+y-x-2), a0
    lea.l (y).l, a0
  ...
y:

这两条指令都会将地址 y 加载到寄存器 a0 中。

然而，它们之间有一个区别：

假设代码位于地址 0x1000，地址 y 位于地址 0x2000。

现在我们将代码移动到地址 0x1200 并在那里执行代码。会发生什么？

第一条指令将地址 0x2200 加载到寄存器中：

这个地址是相对于指令地址计算的：它被计算为 (指令地址)+0x1000。由于指令现在位于地址 0x1000 而不是 0x1200，因此要写入寄存器的值将是 0x2200 而不是 0x2000。

这被称为（PC）相对寻址。

第二条指令将地址 0x2000 加载到寄存器中。它总是将值 0x2000 加载到寄存器中 - 指令本身的地址并不重要。

这被称为绝对寻址。

- Martin Rosenau