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22 RISC-V指令精讲（七）：访存指令实现与调试
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你好，我是LMOS。
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上节课我们说了RISC-V是加载储存体系结构的典型，只有加载指令和储存指令才有资格访问内存。
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计算机运算完成的结果，一开始会放在寄存器中，但最终归宿还是内存，此时就需要存储指令发挥作用了。这节课我们就来看看RISC-V提供的存储指令，一共有三条，分别是储存字节指令、储存双字节指令和储存字指令。
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课程的代码你可以从这里下载。话不多说，咱们进入正题。
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储存字节指令：sb指令
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我们先从储存字节指令，即sb指令学起。
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这个指令存储的字节单位是一个字节，也就是8位数据。说得再具体一些，这个指令会把一个通用寄存器里的低[7:0]位，储存到特定地址的内存单元里。而这个特定地址，要由另一个通用寄存器和一个立即数之和来决定。
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储存字节指令的汇编代码，书写形式如下所示：
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sb rs2,imm(rs1)
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#sb 储存字节指令
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#rs2 源寄存器2
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#rs1 源寄存器1
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#imm 立即数（-2048~2047）
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上述代码中rs1和rs2可以是任何通用寄存器。立即数imm为12位二进制数据，其范围是-2048~2047。因为rs1、rs2以及立即数imm的规定，对后面的sh指令和sw指令同样适用，后面我就不重复说了。
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sb指令完成的操作用伪代码描述是这样的：
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（[rs1+imm]）= rs2[7:0]
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我来为你解释一下伪代码执行的操作。首先取得rs2寄存器第0位到第7位这8位数据，即一个字节。然后，把这个字节数据储存到rs1+imm为地址的内存单元中。
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接着是代码验证环节，为了方便调试，我们在工程目录下新建一个store.S文件，并在其中用汇编写上sb_ins函数。代码如下所示：
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.text
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.globl sb_ins
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#a0内存地址
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#a1储存的值
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sb_ins:
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sb a1, 0(a0) #储存a1低8位到a0+0地址处
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jr ra #返回
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sb_ins函数我已经帮你写好了，只有两条指令，第一条指令把a1寄存器的低8位数据，储存到a0+0地址处的内存单元中，第二条指令就返回了。
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现在，我们一起用VSCode打开工程目录，把断点打在“sb a1, 0(a0) ”指令处，按下“F5”键调试一下，效果如下图：
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图片里对应的是刚刚执行完sb a1，0(a0)指令之后，执行jr ra指令之前的状态。这时候a0寄存器中的值是0x20a80，这是byte变量的地址，a1是0x80，正是十进制数据128。
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我们继续单步调试，返回到main函数中执行printf函数，打印一下byte变量的值，如下图所示：
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从图中可以看到，byte变量的初始值为-5。调用sb_ins函数时，我们把byte的地址强制为无符号整数传给sb_ins函数第一个参数，把整数128传给sb_ins函数第二个参数。
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C语言调用规范告诉我们，sb_ins函数会通过a0、a1寄存器传递第一个、第二个参数，之后printf函数输出byte变量的值为128，这证明了sb指令是正常工作的。
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储存双字节指令：sh指令
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接下来要说的是储存半字指令，也是储存双字节指令。它可以把一个通用寄存器中的低[15:0]位，一共16位的数据（即两个字节），储存到特定地址的内存单元中，这个地址由另一个通用寄存器与一个立即数之和决定。
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储存半字指令的汇编代码，书写形式是这样的：
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sh rs2,imm(rs1)
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#sh 储存半字指令
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#rs2 源寄存器2
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#rs1 源寄存器1
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#imm 立即数（-2048~2047）
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sh指令完成的操作用伪代码描述如下所示：
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（[rs1+imm]）= rs2[15:0]
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我来为你解释一下，上面的伪代码执行了怎样的操作。首先取得rs2的第0位到第15位的数据。然后把这两个字节（16位数据）的数据，储存到rs1+imm这个地址的内存单元中。
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好，咱们写个代码来验证一下。在store.S文件中，用汇编写上sh_ins函数。代码如下所示：
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.globl sh_ins
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#a0内存地址
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#a1储存的值
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sh_ins:
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sh a1, 0(a0) #储存a1低16位到a0+0地址处
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jr ra #返回
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与sb_ins函数一样，sh_ins函数只有两条指令，但第一条指令是把a1寄存器的低16位数据，储存到a0+0地址处的内存单元中，第二条指令同样是返回指令。
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现在我们一起用VSCode打开工程目录，在“sh a1, 0(a0) ”指令处打上断点，按“F5”键调试的截图如下所示：
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图片对应的是刚刚执行完sh a1,0(a0)指令之后，执行jr ra指令之前的状态，a0寄存器中的值是half变量的地址，a1寄存器中的值是0xa5a5。
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我们继续进行单步调试，返回到main函数中执行printf函数，打印一下half变量的值。
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如上图所示，half变量的初始值为-1。随后调用sh_ins函数，我们把half的地址强制为无符号整数传给sh_ins函数第一个参数，再把整数0xa5a5传给sh_ins函数第二个参数，之后printf函数输出half变量的值为0xa5a5。这证明了sh指令工作正常。
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储存字指令：sw指令
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最后，我们来学习一下储存字指令，就是储存32位四字节指令，也是最常用的储存指令，它是把一个32位的通用寄存器，储存到特定地址的内存单元中，这个地址由另一个通用寄存器与一个立即数之和决定。
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储存字指令的汇编代码书写形式如下所示：
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sw rs2,imm(rs1)
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#sw 储存字指令
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#rs2 源寄存器2
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#rs1 源寄存器1
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#imm 立即数（-2048~2047）
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上述代码中rs1和rs2可以是任何通用寄存器。立即数imm为12位二进制数据，其范围是-2048~2047。
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然后我们看看sw指令完成的操作，对应的伪代码描述如下：
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（[rs1+imm]）= rs2
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这段伪代码执行的操作就是把rs2的32位数据，即四个字节数据，储存到rs1+imm为地址的内存单元中。
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下面我们一起写代码验证一下，在store.S文件中，用汇编写上sw_ins函数。代码如下：
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.globl sw_ins
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#a0内存地址
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#a1储存的值
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sw_ins:
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sw a1, 0(a0) #储存a1到a0+0地址处
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jr ra #返回
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sw_ins函数只有两条指令，第一条指令是把a1寄存器储存到a0+0地址处的内存单元中，第二条指令同样是返回指令。
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毕竟眼见为实，咱们调试观察一下。用VSCode打开工程目录，在“sw a1, 0(a0) ”指令处打上断点，按下“F5”键调试，如下所示：
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上图是刚刚执行完sw a1,0(a0)指令之后，执行jr ra指令之前的状态。a0寄存器中的值是word变量的地址，a1寄存器中的值是0，执行完这个sw_ins函数后，word变量的值应该变为0了。
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我们继续单步调试，执行返回到main函数中执行printf函数，打印一下word变量的值，如下图所示：
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可以看到图中word变量的初始值为0xfffffffff，随后调用sw_ins函数，我们把word变量的地址强制为无符号整数传给sw_ins函数第一个参数，把整数0传给sw_ins函数第二个参数，之后printf函数输出word变量的值确实为0。这证明了sw指令工作正常。
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我们已经对sb、sh、sw指令进行了调试，了解了它们的功能，现在我们继续一起看看sb_ins、sh_ins、sw_ins函数的二进制数据。
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打开终端，切换到该工程目录下，输入命令：riscv64-unknown-elf-objdump -d ./main.elf > ./main.ins，就会得到main.elf的反汇编数据文件main.ins，我们打开这个文件，就会看到上述这些函数的二进制数据，如下所示：
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可以看到，在图片里的反汇编代码中不但有伪指令，还有两个字节的压缩指令。编译器为了节约内存，所以会把指令压缩。比如说ret的机器码是0x8082，sw a1,0(a0)机器码是0xc10c，它们只占用16位编码，即二字节。
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截图里五条加载指令的机器码与指令的对应关系，你可以参考后面这张表格。
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我画了示意图，帮你拆分一下sb、sh、sw指令各位段的数据，这样更容易看清楚它们是如何编码的。如下所示：
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对照上图可以看到，sb、sh、sw指令的功能码都不一样，借此就能区分它们。而这些储存指令的操作码都相同，立即数也相同（都是0），这和我们编写的代码有关。
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我还想提示你注意一下sw指令，图片里的情况跟反汇编出来的数据可能不一致，原因是编译器使用了压缩指令。图片里我还原的是sw a1,0(a0)正常的编码。
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你可以手动在sw_ins函数中，插入0x00b52023这个数据进行验证。怎么插入这个数据使之变成一条指令呢？参考[上节课]还原lw指令的讲解，我相信你这次自己也能搞定它。
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关于RISC-V的三条储存指令已经介绍完了，它们可以将字节、双字节、四字节储存到内存中去。实现了保存运算指令运算结果的功能，给高级语言实现各种类型的变量，提供了基础。
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重点回顾
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今天我们一口气学完了三条储存指令。有了三条储存指令，加上我们上节课学过的五条加载指令，就构成了RISC-V的访存指令。
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RISC-V提供的储存字节指令、储存半字指令和储存字指令。储存指令可以把寄存器的运算结果，或者其他数据储存到特定的内存空间中。储存单位可以是一个字节、两个字节，或者四个字节。有了这些指令，不同大小、位宽的数据处理起来都很方便。
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运算指令的运算结果，要通过储存指令保存到内存中，这也给高级语言实现各种类型的变量，打下了基础。
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我照例用导图梳理了这节课的要点，你可以做个参考。
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思考题
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为什么三条储存指令，不需要处理数据符号问题呢？
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