课题14：常量加载合并优化

难度：低 | 类型：项目实战 | 源文件：scratchv/backend/const_merge.py | 行数：~300 状态：✅ 已完成

概述

优化RISC-V加载大常量的指令序列，将lui + addi对合并为单条li伪指令，并消除冗余lui。

---

理解背景

是什么？

常量加载合并（const_merge.py）在汇编层面优化 RISC-V 加载 32 位常量的指令序列。RISC-V 要加载一个 32 位常数需要两条指令（lui + addi），这个优化器做了两件事：

1. lui+addi 合并：把相邻的 lui rd, hi + addi rd, rd, lo 合并为一条 li rd, full_value
2. 冗余 lui 消除：删除连续两次加载相同高位立即数的 lui

为什么？

RISC-V 指令都是 32 位定长，无法在一条指令里编码 32 位立即数。所以加载常数需要：

lui t0, 0x12345     # t0 = 0x12345 << 12 = 0x12345000
addi t0, t0, 0x678  # t0 = t0 + 0x678 = 0x12345678

编译器简单翻译时可能产生不必要的冗余。这个优化器在汇编生成后做"post-pass"清理。

核心概念

RISC-V 32 位常数加载

最终值 = (imm_hi << 12) + sign_extend_12(imm_lo)

关键细节：addi 的 12 位立即数会被符号扩展。0x800 → -2048（不是 +2048）。

两遍优化

Pass 1: lui+addi 合并

lui t0, 0x12345     →    li t0, 0x12345678
addi t0, t0, 0x678

条件：两条指令相邻，目标寄存器相同，addi 源寄存器与 lui 目标相同。

Pass 2: 冗余 lui 消除

lui t0, 0x12345     →    （删除）
... （t0 未修改）
lui t0, 0x12345          lui t0, 0x12345（第一次已加载）

---

详细任务

1. 理解lui（加载高20位）和addi（加低12位，注意符号扩展）构成32位常量的机制。
2. 识别连续两条指令：lui rd, imm_hi后跟addi rd, rd, imm_lo，计算最终常量值。
3. 替换为一条li rd, final_value（如果后端支持li），否则保留但减少一条指令。
4. 检测冗余lui：同一个rd的lui在之前出现过且中间未修改，则删除后面的lui，调整addi的源寄存器。
5. 实现迭代扫描，统计节省的指令数。
6. 集成到后端，添加--merge-constants开关。

---

交付产物

• 优化脚本或模块
• 测试汇编文件（包含各种常量值）
• 文档：算法原理、使用示例

---

代码走读

使用

from scratchv.backend.const_merge import merge_constants

asm = """
    lui t0, 0x12345
    addi t0, t0, 0x678
    lui t0, 0x12345
    addi t0, t0, 256
"""

optimized, changes = merge_constants(asm)
print(optimized)
print(f"Changes: {changes}")

命令行

python -m scratchv.backend.const_merge input.s -o output.s -v

合并逻辑

def _merge_lui_addi(self, lines):
    """找到相邻的 lui+addi 对并合并"""
    for i in range(len(lines) - 1):
        if lines[i].opcode == "lui" and lines[i+1].opcode == "addi":
            if lines[i].operands[0] == lines[i+1].operands[0]:  # 同目标
                if lines[i+1].operands[1] == lines[i].operands[0]:  # addi 读同一寄存器
                    hi = int(lines[i].operands[1], 16) << 12
                    lo = self._sign_extend_12(int(lines[i+1].operands[2]))
                    full = (hi + lo) & 0xFFFFFFFF
                    lines[i] = AsmLine(opcode="li", operands=[
                        lines[i].operands[0], str(full)
                    ])
                    lines[i+1] = None  # 标记删除

符号扩展处理

def _sign_extend_12(self, imm):
    if imm & 0x800:   # 第11位是1 → 负数
        return imm - 0x1000
    return imm

---

动手练习

练习 1: 观察合并效果

编译 CNN 模型，对输出汇编运行 const_merge，统计合并了多少对 lui+addi。

练习 2: 手动计算

手工计算 lui t0, 0x12345 + addi t0, t0, 0x800 的最终值（注意符号扩展）。

练习 3: 扩展优化

添加对 li 后紧跟 addi 的合并（li x, N; addi x, x, M → li x, N+M）。

---

常见坑

坑	说明
符号扩展陷阱	addi 的 12 位立即数会被符号扩展，0x800 = -2048，不是 +2048
寄存器被修改	两次 lui 之间如果目标寄存器被其他指令修改了，就不能消除
li 是伪指令	li rd, imm 是汇编器伪指令，实际可能被展开为 lui+addi 或单条 addi

---

进阶阅读

• RISC-V 指令集手册：第 2.4 节（Immediate Encoding）
• 相关 topic: 课题13 — 窥孔优化器 | 课题12 — 指令计数统计器

---

12周每周目标

• W1：学习RISC-V加载大常量的机制，手动拆解一个32位常量（如0x12345678）。
• W2：编写汇编解析函数，识别lui和addi指令，提取目标寄存器和立即数。
• W3：实现合并检测：判断连续两条指令是否构成lui+addi对，计算最终常数值（处理符号扩展）。
• W4：实现替换：删除原两条，插入li rd, final_value（若后端支持），否则保留原指令但添加注释。
• W5：处理冗余lui：扫描中记录每个寄存器的最后一次lui值，若重复则删除后面lui。
• W6：实现合并优化函数，扫描整个汇编文件，迭代应用直到没有变化。
• W7：测试各种常量值（正数、负数、边界0x80000000），用模拟器验证结果相同。
• W8：增加优化报告：显示合并的对数、删除的冗余lui数、节省指令数。
• W9：集成到编译器后端（在代码生成后执行），添加--merge-constants开关。
• W10：处理特殊情况：addi使用的寄存器不是lui的目标（如lui x1; addi x2, x1），谨慎合并。
• W11：扩展支持跨基本块复用（简单版本）。
• W12：撰写文档，包含常量拆分与合并的数学原理。