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1.控制转移指令 RV32I中控制转移指令主要有两类:无条件跳转和有条件跳转。 2.无条件跳转 无条件跳转指令均使用PC相对寻址。无条件跳转主要包括两条指令:JAL 和 JALR。 2.1 JAL JAL指令是用J-type格式(JAL是RV32I中唯一J-type的指令)。 JAL的指令格式为 JAL rd,offset。x[rd] = pc+4; pc += sext(offset) 其机器码格式如图1所示。其opcode为110_1111。该指令把下一条指令的地址(PC + 4)存入rd寄存器中,然后把PC设置为当前值加上符号位扩展的偏移量。 图1 JAL机器编码格式 [1] 注意偏移量是带符号扩展的。可以看到偏移量是2字节对齐的(offset [20:1]),虽然RV32I中所有的指令地址都是4字节对齐的,但是JAL还可能被用于兼容C扩展指令集(详情见RISC-V 简介(4)RISC-V指令集编码结构中对其的描述),所以就默认offset bit 0为0(即2字节对齐)。 因此,JAL跳转的地址有+/- 1MB的范围。(2^21 = 2MB = +/- 1MB)。 标准的软件调用约定(calling convention)用x1寄存器作为返回地址寄存器(rd),也可以用x5作为备用的链接寄存器(link register)。因为JAL指令中的offset是相对于PC的偏移量,在编写时需要精确的地址差值,且任意添加/删除一条汇编指令,JAL中的偏移量可能就需要再次修改,这给JAL指令的使用带来了很大的负担,所以,一般在用JAL指令时,多用JAL rd,label而不是JAL rd,offset。 JAL rd,label中的label是标签,用来标注某段程序的位置,为程序中跳转及分支语句提供的跳转入口(label使用实例可以点击这里)。编译器会自动计算出标签和当前指令的offset。 示例: JAL x1,main 伪指令:JAL main,对应的真实指令:JAL x1,main 伪指令:J main,对应的真实指令:JAL x0,main 跳转到main函数,并将下一条指令存在x1寄存器中 注意: x5寄存器被选为备用的链接寄存器有两个原因: 在标准调用约定中被用作临时变量 它和常规链接器x1只有1 bit的区别 0_0001 –> 0_0101 当JAL指令省略rd时,默认rd即为x1。 伪指令J中rd为x0。 图1 JAL机器编码格式 [1] 2.2 JALR 间接跳转指令JALR用I-type编码类型。指令格式为JALR rd,offset(rs1)。 t = pc + 4; pc = (x[rs1]+sext(offset)) & ~1; x[rd]=t 相当于: t = pc + 4; pc = (x[rs1]+sext(offset)) & 0xffff_fffe; x[rd]=t // RV32I 其机器码如图2所示,其opcode为110_0111,funct3为000。 该指令将PC设置为rs1寄存器中的值加上符号位扩展的偏移量,把计算出地址的最低有效位设为0,并将原PC + 4的值写入rd寄存器。如果不需要目的寄存器,可以将rd设置为x0。 JALR的offset也是带符号位扩展的,JALR偏移的地址范围在rs1寄存器中存储地址的+/- 2KB(2 ^ 12 = 4096 = 4 KB = +/- 2KB)。定义JALR指令是为了使两个指令序列可以在32位绝对地址范围内的任意位置跳转(因为JAL指令的跳转范围不够大)。 示例: JALR x13,0(x1) 跳到x1寄存器里存储的地址,并将下一条指令存在x13寄存器中。 其他伪指令示例: JR x1 => JALR x0, x1, 0 RET => JALR x0, x1, 0 JALR x13 => JALR x1, x13, 0 一般来说,LUI和JALR配合使用可以跳转32位绝对地址范围,AUIPC和JALR配合可以跳转32位相对于PC的地址范围。 图2 JALR机器编码格式 [1] 3.有条件分支跳转 所有的分支指令都是B-type编码格式,其机器码如图3所示。12位的立即数以2字节的倍数编码带符号的偏移量(offset[12:1])。 虽然RV32I中所有的指令地址都是4字节对齐的,但是JAL还可能被用于兼容C扩展指令集,所以就默认offset bit 0为0(即2字节对齐)。 目标地址由分支指令的地址加上符号位扩展的偏移量组成,范围是2^13 = 8192 = 8 KB = +/- 4 KB。 与JAL类似,Branch指令常见用法也可以用标签代替偏移量,比如BEQ rs1,rs2,label。 图3 branch指令机器编码格式 [1] 3.1 BEQ BEQ(branch if equal,相等时分支),其指令格式为BEQ rs1,rs2,offset。if (rs1 == rs2) pc += sext(offset) 3.2 BNE BNE(branch if not equal,不相等时分支),其指令格式为BNE rs1,rs2,offset。if (rs1 ≠ rs2) pc += sext(offset) 3.3 BLT BLT(branch if less than,小于时分支),其指令格式为BLT rs1,rs2,offset。if (rs1 |
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