自己动手写CPU之第八阶段（1）——转移指令介绍

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      本章将为OpenMIPS处理器添加转移指令，转移指令包括跳转、分支两种，区别在于前者是绝对转移，后者是相对转移，但实现方法是相似的。转移指令涉及延迟槽，所以首先在8.1节介绍了延迟槽的概念，接着在8.2节对MIPS32指令集架构中定义的所有转移指令的格式、作用、用法进行了说明。在8.3节介绍了OpenMIPS实现转移指令的思路，以及对数据流图、系统结构的修改。8.4节通过修改代码实现了转移指令，最后通过两个测试程序，验证转移指令是否实现正确。

8.1 延迟槽

      在实现转移指令之前，先介绍一下延迟槽的概念。在第5章已经介绍了流水线中存在的三种相关：数据相关、结构相关、控制相关。其中控制相关是指流水线中的转移指令或者其他需要改写PC的指令造成的相关。这些指令改写了PC的值，所以导致后面已经进入流水线的几条指令无效，比如：如果转移指令在流水线的执行阶段进行转移条件判断，在发生转移时，会导致当前处于取指、译码阶段的指令无效，需要重新取指。如图8-1所示。

      也就是在流水线执行阶段进行转移判断，并且转移发生，那么会有2条无效指令，导致浪费了两个时钟周期。为了减少损失，规定转移指令后面的指令位置为“延迟槽”，延迟槽中的指令被称为“延迟指令”（也可称之为“延迟槽指令”）。延迟指令总是被执行，与转移发生与否没有关系。引入延迟槽后的指令执行顺序如图8-2所示。OpenMIPS处理器就计划使用延迟槽技术。

      但是，即使引入延迟槽，在转移发生时仍然会导致已经进入取指阶段的指令无效，也就是仍浪费一个时钟周期，要解决这个问题，可以在译码阶段进行转移判断，这样就可以避免浪费时钟周期。OpenMIPS处理器就设计为在译码阶段进行转移判断。

8.2 转移指令说明

      MIPS32指令集架构中定义的转移指令共有14条，可分为如下两类。

•  跳转指令： jr 、jalr 、j 、jal
•  分支指令：b、bal、beq、bgez、bgezal、bgtz、blez、bltz、bltzal、bne

      其中，跳转指令是绝对转移，分支指令是相对转移。本节分别介绍这两类指令。

      1、跳转指令

      跳转指令的格式如图8-3所示。

      从图8-3可知，j、jal指令可以通过指令码进行判断，jr、jalr指令的指令码为SPECIAL，还需要依据功能码进一步判断。

•  当指令中的指令码为SPECIAL，功能码为6'b001000时，表示是jr指令

      指令用法为：jr rs

      指令作用为：pc <- rs，将地址为rs的通用寄存器的值赋给寄存器PC，作为新的指令地址。

•  当指令中的指令码为SPECIAL，功能码为6'b001001时，表示是jalr指令

      指令用法为：jalr rs 或者jalr rd, rs

      指令作用为：rd <- return_address, pc <- rs，将地址为rs的通用寄存器的值赋给寄存器PC，作为新的指令地址，同时将跳转指令后面第2条指令的地址作为返回地址保存到地址为rd的通用寄存器，如果没有在指令中指明rd，那么默认将返回地址保存到寄存器$31。

•  当指令中的指令码为6'b000010时，表示是j指令

      指令用法为：j target

      指令作用为：pc <- (pc+4)[31,28] || target || ‘00’，转移到新的指令地址，其中新指令地址的低28位是指令中的target（也就是图8-3中的instr_index）左移两位的值，新指令地址的高4位是跳转指令后面延迟槽指令的地址高4位。

•  当指令中的指令码为6'b000011时，表示是jal指令

      指令用法为：jal target

      指令作用为：pc <- (pc+4)[31,28] || target || ‘00’，转移到新的指令地址，新指令地址与指令j相同，不再解释。但是，指令jal还要将跳转指令后面第2条指令的地址作为返回地址保存到寄存器$31。

      j、jal、jr、jalr指令在转移之前都要先执行延迟槽指令。

      2、分支指令

      分支指令的格式如图8-4所示。

      从图8-4可知，前5条指令beq、b、bgtz、blez、bne可以直接依据指令中的指令码进行判断，确定是哪一条指令，而后5条指令bltz、bltzal、bgez、bgezal、bal的指令码都是REGIMM，这是一个宏定义，值为6'b000001，需要根据指令中16-20bit的值进一步判断，从而确定是哪一条指令。

      从图8-4还可知，所有分支指令的0-15bit存储的都是offset，如果发生转移，那么将offset左移2位，并符号扩展至32位，然后与延迟槽指令的地址相加，加法的结果就是转移目的地址，从该地址取指令。

转移目标地址 = (signed_extend)( offset || ‘00’ ) + (pc+4)

•  当指令中的指令码为6'b000100时，表示是beq指令

      指令用法为：beq rs, rt, offset

      指令作用为：if rs = rt then branch，将地址为rs的通用寄存器的值与地址为rt的通用寄存器的值进行比较，如果相等，那么发生转移。

•  当指令中的指令码为6'b000100，且16-25bit为0时，表示是b指令

      指令用法为：b offset

      指令作用为：无条件转移，从图8-4可知，b指令可以认为是beq指令的特殊情况，当beq指令的rs、rt都等于0时，即为b指令，所以在OpenMIPS实现的时候不需要特意实现b指令，只需要实现beq指令即可。

•  当指令中的指令码为6'b000111时，表示是bgtz指令

      指令用法为：bgtz rs, offset

      指令作用为：if rs > 0 then branch，如果地址为rs的通用寄存器的值大于零，那么发生转移。

•  当指令中的指令码为6'b000110时，表示是blez指令

      指令用法为：blez rs, offset

      指令作用为：if rs ≤ 0 then branch，如果地址为rs的通用寄存器的值小于等于零，那么发生转移。

•  当指令中的指令码为6'b000101时，表示是bne指令

      指令用法为：bne rs, rt, offset

      指令作用为：if rs ≠ rt then branch，如果地址为rs的通用寄存器的值不等于地址为rt的通用寄存器的值，那么发生转移。

•  当指令中的指令码为REGIMM，且16-20bit为5'b00000时，表示是bltz指令

      指令用法为：bltz rs, offset

      指令作用为：if rs < 0 then branch，如果地址为rs的通用寄存器的值小于0，那么发生转移。

•  当指令中的指令码为REGIMM，且16-20bit为5'b10000时，表示是bltzal指令

      指令用法为：bltzal rs, offset

      指令作用为：if rs < 0 then branch，如果地址为rs的通用寄存器的值小于0，那么发生转移，并且将转移指令后面第2条指令的地址作为返回地址，保存到通用寄存器$31。

•  当指令中的指令码为REGIMM，且16-20bit为5'b00001时，表示是bgez指令

      指令用法为：bgez rs, offset

      指令作用为：if rs ≥ 0 then branch，如果地址为rs的通用寄存器的值大于等于0，那么发生转移。

•  当指令中的指令码为REGIMM，且16-20bit为5'b10001时，表示是bgezal指令

      指令用法为：bgezal rs, offset

      指令作用为：if rs ≥ 0 then branch，如果地址为rs的通用寄存器的值大于等于0，那么发生转移，并且将转移指令后面第2条指令的地址作为返回地址，保存到通用寄存器$31。

•  当指令中的指令码为REGIMM，且21-25bit为0，16-20bit为5'b10001时，表示是bal指令

      指令用法为：bal offset

      指令作用为：无条件转移，并且将转移指令后面第2条指令的地址作为返回地址，保存到通用寄存器$31。从图8-4的指令格式可知，bal指令是bgezal指令的特殊情况，当bgezal指令的rs为0时，就是bal指令，所以在OpenMIPS实现时，不用特意考虑bal指令，只要实现bgezal指令即可。

      综上，b、bal指令不用单独实现，需要OpenMIPS实现的分支指令只有8条。

      所有的分支指令在转移到目标地址前都要先执行延迟槽中的指令。