RV32I控制转移指令的偏移量计算问题

Posted 2021-06-22 snsn1984

RV32I的控制转移指令可以分为无条件跳转（unconditional jumps）和条件分支(conditional branches)。其中，无条件跳转（unconditional jumps）包含JAL和JALR；条件分支(conditional branches)包含BEQ、BNE、BLT、BLTU、BGE和BGEU。这些控制转移指令会根据指令所带的立即数（imm）去计算跳转地址的偏移量，而这个偏移量的计算在这里有两种方式。

第一种偏移量计算方式：实际偏移量 = 立即数（imm）* 2

除了JALR之外的所有RV32I的控制转移指令，即：JAL、BEQ、BNE、BLT、BLTU、BGE和BGEU，都采用这种计算方式。在RV32I的规范中可以找到对应的内容。

JAL 规范P20

JAL 规范P21

条件分支（BEQ、BNE、BLT、BLTU、BGE和BGEU） 规范P22

这些指令在规范中都提到，立即数（imm）表达的是乘以2byte的偏移量，又因为RISCV的地址是byte地址，所以通过立即数（imm）来取偏移量的时候，就需要对立即数（imm）乘以2。

实际例子1

《COMPUTER ORGANIZATION AND DESIGN（RISC-V EDITION）》 P115

这里的偏移量是十进制的2000，那么对应的立即数（imm）是1000，所以指令中的立即数（imm）是1111101000，=2（10）- 1 - 2（4）- 2（2）- 2（1）- 1 = 1000.

实际例子2

《COMPUTER ORGANIZATION AND DESIGN（RISC-V EDITION）》 P116-117

以bne指令为例，它要跳转到最后的Exit，对应到具体的地址就是80024，而bne的指令位置是80012，将80012中的bne指令中的立即数（imm）按照指令格式拼接起来，实际上立即数是0110，也就是6。6 * 2 + 80012 = 80024。

根本原因

这些指令通过以2byte作为立即数（imm）的基本单位来计算偏移量，是为了达到通过有限的立即数（imm）可以表达更大的偏移量。那么为什么以2byte（halfword）来作为单位，不干脆直接以4byte（word）作为基本单位？这是因为RISCV的C扩展，即压缩指令扩展，是16位的。在这种情况下，只能选择2byte（halfword）来作为单位，用4byte（word）作为单位会导致有些指令的地址无法被跳转到。

《COMPUTER ORGANIZATION AND DESIGN（RISC-V EDITION）》 P116中有相关的讲解：

第二种偏移量计算方式：实际偏移量 = 立即数（imm）

采用这种计算方式的RV32I的控制转移指令，只有JALR指令。RV32I的规范中，有专门提到：

规范 P21

这里专门提到了12位的imm直接加上rs1，就可以获取目标地址。同时，规范中也专门用一段话来讲这个问题。

规范 P21

总结

在对RV32I控制转移指令的偏移量计算问题进行分析之后，将这些指令按照类型进行分类，可以得到如下：

1. JAL J类型
2. BEQ、BNE、BLT、BLTU、BGE和BGEU B类型
3. JALR I 类型

所以，我们也可以将这个计算按照指令类型进行划分，J类型和B类型的指令是需要对立即数（imm）乘以2来计算实际偏移量，而I类型的指令则不需要。

RV64I是在RV32I的基础之上直接使用控制转移指令的，所以这个计算问题在RV64I中也同样存在。

 

注：RISCV规范指的是