详解risc-v的la指令

la概述

la是risc-v指令集中的一条伪指令。伪指令，一般会被汇编器翻译成一条或者多条等价的实际指令。伪指令存在的意义就类似于C语言中的typedef或者#define等，完全是出于方便程序员编程、阅读源代码的目的,它本身并没有扩展整个指令集的表达能力。

la(load address),顾名思义，它是一条地址加载指令。

最左一栏是la指令的格式，它将一个内存地址（symbol是一个地址标记）的值加载到rd寄存器中。第二栏是la为指令被翻译成的等价的实际指令，可以看出来，la指令在非位置无关码（non-PIC）和位置无关码（PIC，position independance code）中，具有不同的解释方式——这一篇我们主要聊聊non-pic的情况下la的地址加载过程，下一篇我们再聊pic的情形。第三栏是简要的含义说明。

一个有小漏洞的解释

la会被汇编器解释成两条等价的实际指令，可以大胆猜测，risc-v是分了两步才将一个地址加载到寄存器中的。

既然la指令是分两步完成的，那我们也分两步来理解它——第一步，我先给出一个有漏洞的版本，第二步我们再修正它。

有漏洞的版本如下图所示。这时候指令 la symbol 会被解释成下面的两条语句

auipc

rd,delta[31:12]

addi

rd,rd,delta[11:0]

其中delta是目标地址symbol和当前指令地址pc之间的偏移：delta=symbol-pc

先来解释一下第一步的auipc指令，这条指令全称叫add upper immediate to PC,它的行为有点奇怪，它会把立即数的高20位和pc相加（或者说，把立即数的低12位抹0，然后和pc相加。可能这样说更直观），结果写入rd寄存器。

auipc rd,immediate

~~rd = pc + sext(immediate[31:12]<<12)~~

rd=pc+immediate[31:12]<<12

sext()表示符号扩展（sign extension），它是针对64位指令集对，即把最高位，即第三十一位的值填充到64位寄存器的高32位。这里我们讨论32位指令集RV32，这个sext()可以忽略。

接着第二步，把第一步得到的结果rd再和偏移delta的第12位相加，即可得到symbol的地址了。

说白了，这两步的过程其实就是像是一个加法结合律的应用。

delta=(delta[31:12]<<12)+delta[11:0]

symbol=pc+delta

symbol=pc+ ( (delta[31:12]<<12)+delta[11:0] )

symbol=( pc+(delta[31:12]<<12) ) +delta[11:0]

上面的第四个式子就是伪指令la的操作。

给漏洞打个补丁

如果la就是这样实现的话，其实有个小小的漏洞。我们回顾一下第二步的addi指令addi rd,rd,delta[11:0]。 先来看一下addi指令的格式。 在32位的risc-v指令集中，它的样子如下图所示。

可以看到，addi只用了12位来存放立即数。可能有小伙伴会有疑问了，寄存器rd是32位的（前面提到过，我们现在讨论的是32位指令集），位数都不一样，它们是怎么相加的呢？其实addi会对立即数先进行符号扩展，也就是用最高位、第11位的值把立即数填充至32位，再与rd相加。

为什么要进行符号扩展而不是零扩展（Zero extension）？ 因为如果进行的是零扩展,就不存在那个“小小的漏洞”。原因在于risc-v中并没有和addi对应的subi（立即数减）指令，所以减掉一个立即数都是用加上它的负数来等价实现的，这就要求addi的立即数必须是一个（二进制补码表示的）有符号数。

说到这里可能有小伙伴反应过来了——是的，如果我们的delta[11]是1而不是0的话，进行符号扩展后，我们la的第二步addi指令就会将一个负数加到rd上，这明显是不对的，这样做的结果会比正确答案多减掉一个2^12。

改正办法如下所示

如果第11位是1的话，我们就给auipc的immediate加上1。前面已经介绍过，auipc中的immediate会左移12位再和pc相加。给immdiate加1，就相当与给rd加2^12。第一步多加的刚好弥补第二步多减的，这样就修正了答案。

一条类似的伪指令：li

与la类似，risc-v中还有一条叫做li（load immediate）的伪指令。

li,rd,imm

它把一个立即数imm加载到rd寄存器中。前面提到的addi指令，用12位表示一个有符号数，因此当imm在-2^12~2^12-1范围内（也就是[-2048~2047]）的时候，li被转化成下面这条实际指令：

addi rd, x0,imm #rd=imm+0

注意这里的x0是risc-v体系中一个特殊的设计，这个x0寄存器永远都是0，不能被改变。

当imm不在这个范围，但在32位有符号数的范围内（也就是[-2147482648～-2048）以及（+2047～+2147482647]）的时候，一条addi指令显然是不够了。 这时候需要用到一条和auipc类似的指令: lui，

lui rd, imm #rd=imm[31:12]<<12

它把大立即数的高20位（也就是imm[31:12],可以通过imm>>12得到）左移12位，然后放到rd中（效果上，就是把imm的低12位抹0放到rd中，可能这样说更直观）。

最后，li指令的加载一个大立即数的步骤就是这样：

lui rd, imm[31:12]+imm[11] addi, rd,rd,imm[11:0]

至于为什么要在第一步lui中加上imm[11], 和前面auipc中是一样的道理，这就不再重复解释了。