如何计算跳转目标地址和分支目标地址？

Question

如何计算跳转目标地址和分支目标地址？

assemblymipsmachine-codeinstruction-encoding

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我对汇编语言还很陌生。我正在阅读关于MIPS架构的资料，但是我对跳转目标地址和分支目标地址以及如何计算它们感到困惑。

- user379888

4个回答

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通常情况下，您不必担心计算它们，因为您的汇编程序（或链接器）将确保正确计算。假设您有一个小函数：


func:
  slti $t0, $a0, 2
  beq $t0, $zero, cont
  ori $v0, $zero, 1
  jr $ra
cont:
  ...
  jal func
  ...

当将上述代码转换为指令的二进制流时，汇编器（或链接器，如果您首先将其组装为对象文件）将确定函数在内存中的位置（现在先忽略位置无关代码）。它通常在ABI中指定，在使用模拟器（如SPIM，它将代码加载到0x400000 - 请注意，该链接还包含了一个很好的解释过程）时也会给出。

假设我们正在讨论SPIM情况，并且我们的函数是内存中的第一个，那么slti指令将位于0x400000，beq指令将位于0x400004等等。现在我们就快完成了！对于beq指令，分支目标地址是cont的地址（0x400010），查看MIPS instruction reference，我们可以看到它被编码为相对于下一条指令的16位有符号立即数（除以4，因为所有指令都必须驻留在4字节对齐的地址上）。

Current address of instruction + 4 = 0x400004 + 4 = 0x400008
Branch target = 0x400010
Difference = 0x400010 - 0x400008 = 0x8
To encode = Difference / 4 = 0x8 / 4 = 0x2 = 0b10

beq $t0, $zero, cont的编码

0001 00ss ssst tttt iiii iiii iiii iiii
---------------------------------------
0001 0001 0000 0000 0000 0000 0000 0010

正如您所见，您可以在-0x1fffc .. 0x20000字节范围内分支。如果由于某种原因，您需要跳转更远，您可以使用一个跳板（一个无条件跳转到实际目标的跳转，该跳转位于给定限制内）。

跳转目标地址与分支目标地址不同，它们使用绝对地址编码（再次除以4）。由于指令编码使用6位用于操作码，这只留下26位用于地址（实际上是28位，因为最后2位将为0），因此PC寄存器的4个最高有效位在形成地址时被使用（除非您打算跨越256 MB边界，否则不会有影响）。

回到上面的例子，jal func的编码为：

Destination address = absolute address of func = 0x400000
Divided by 4 = 0x400000 / 4 = 0x100000
Lower 26 bits = 0x100000 & 0x03ffffff = 0x100000 = 0b100000000000000000000

0000 11ii iiii iiii iiii iiii iiii iiii
---------------------------------------
0000 1100 0001 0000 0000 0000 0000 0000

你可以使用我找到的在线MIPS汇编器快速验证这一点，并尝试不同的指令（请注意，它不支持所有操作码，例如slti，因此我在这里将其更改为slt）：

00400000: <func>    ; <input:0> func:
00400000: 0000002a  ; <input:1> slt $t0, $a0, 2
00400004: 11000002  ; <input:2> beq $t0, $zero, cont
00400008: 34020001  ; <input:3> ori $v0, $zero, 1
0040000c: 03e00008  ; <input:4> jr $ra
00400010: <cont>    ; <input:5> cont:
00400010: 0c100000  ; <input:7> jal func

- user786653

3

嘿，你找到了我的在线 MIPS 汇编器 :) - Alan H.

4

如果有人对添加指令（如 slti）感兴趣，可以随时向 https://github.com/alanhogan/online-mips-assembler 提交拉取请求。请注意，翻译尽力保持内容原意，同时使语言更加通俗易懂，不包含解释或其他额外信息。 - Alan H.

0

对于像这样的小函数，您可以手动计算从分支指令下面的指令到目标的跳数。如果它向后分支，则将该跳数变为负数。如果该数字不需要所有16位，则对于跳数最高有效位左侧的每个数字，使它们成为1，如果跳数为正，则使它们全部为0。由于大多数分支都靠近它们的目标，因此在大多数情况下，这可以节省您很多额外的算术运算。

克里斯

- kiwicomb123

0

我认为计算这些会相当困难，因为分支目标地址是在运行时确定的，并且该预测是由硬件完成的。如果您能更深入地解释问题并描述您正在尝试做什么，那么帮助您会更容易一些。（：

- A Person

MIPS分支指令都有一个立即目标（相对于当前PC的位移）。以寄存器源为目标地址的控制流指令是jr。除非你很傻并将跳转到下一条指令视为未被执行情况的目标地址。 - Peter Cordes

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的

可以查看英文原文，
原文链接

- emre nevayeshirazi · Accepted Answer

在下面的图表和文本中，PC是分支指令本身的地址。PC+4是分支指令本身的结束，也是下一条指令的开始（在使用延迟槽的MIPS中，是分支延迟槽）。

除了在绝对跳转图中，我们实际上获取跳转后指令地址的高4位。这只在256 MiB区域的末尾有所不同。这些图表在称呼PC方面是不一致的，或者可能是在简化时创建的，即PC+4的前4位与PC相同。

1. 分支地址计算

在MIPS中，分支指令只有16位的偏移量来确定下一条指令。我们需要一个寄存器将这16位值加到下一条指令上，而这个寄存器实际上是由体系结构隐含的。这个寄存器就是PC寄存器，因为在取指周期中PC会更新为(PC+4)，所以它保存了下一条指令的地址。

我们还将分支距离限制在-2^15到+2^15-1条指令之间。然而，这并不是真正的问题，因为大多数分支都是局部的。

所以一步一步来：

1. 将16位的偏移值进行符号扩展，以保留其值。 2. 将结果乘以4。这样做的原因是，如果我们要跳转到某个地址，并且PC已经按字对齐，那么立即值也必须按字对齐。然而，将立即值按字对齐是没有意义的，因为我们会浪费低两位，强制它们为00。 3. 现在我们有了一个32位的相对偏移量。将这个值加上PC + 4，就得到了你的跳转地址。

Branch address calculation

2. 跳转地址计算

对于跳转指令，MIPS只有26位来确定跳转位置。在MIPS中，跳转是相对于PC的。与分支指令类似，立即跳转值需要对齐到字边界；因此，我们需要将26位地址乘以四。

再次逐步说明：

将26位值乘以4。
由于我们是相对于PC+4值进行跳转，将PC+4值的前四位连接到我们的跳转地址的左侧。
得到的地址即为跳转值。

换句话说，用取指令的低26位左移两位的结果替换PC+4的低28位。

enter image description here

跳转是在包含分支延迟槽的区域内进行的，而不一定是分支本身。在上图中，PC已经在跳转计算之前进入了分支延迟槽。（在经典的RISC 5级流水线中，分支延迟槽在跳转解码的同一个周期中被获取，因此PC+4的下一条指令地址对于跳转和分支来说已经可用，如果相对于跳转自身的地址进行计算，就需要额外的工作来保存该地址。）

来源：Bilkent大学CS 224课程幻灯片