如何计算跳转目标地址和分支目标地址？

Question

我是汇编语言的新手。我正在阅读 MIPS 架构，我坚持使用跳转目标地址和分支目标地址和如何计算每个他们。

Answer 1

的 1。分支地址计算

在MIPS分支指令中只有16位偏移量来确定下一条指令。我们需要在此16位值中添加一个寄存器来确定下一条指令，该寄存器实际上是由架构暗示的。它是PC寄存器，因为在获取周期期间PC被更新（PC + 4），因此它保存下一条指令的地址。

（在下图中，PC是分支延迟槽的地址，而不是分支指令本身。但在文中，我们将说PC + 4。）

我们还将分支距离限制为来自（后面的指令）分支指令的-2^15 to +2^15 - 1指令。然而，这不是真正的问题，因为大多数分支机构都是本地的。

一步一步：

• Sign扩展16位偏移值以保留其值。
• 将结果值乘以4.这背后的原因是如果我们要分支一些地址，并且PC已经是字对齐的，那么立即值也必须是字对齐的。然而，使直接字对齐是没有意义的，因为我们将通过强制它们为00来浪费低两位。
• 现在我们有32位地址。将此值添加到PC + 4，这是您的分支地址。

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的 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。此外，跳转与MIPS中的PC相关。像分支一样，立即跳转值需要字对齐;因此，我们需要将26位地址乘以4。

一步一步：

• 将46位值与4相乘。
• 由于我们相对于PC + 4值跳转，所以将PC + 4值的前四位连接到跳转地址的左边。
• 结果地址是跳转值。

换句话说，用向前移位2位的取指令的低26位替换PC + 4的低28位。

跳转是相对于分支延迟槽的区域，不一定是分支本身。在上图中，PC在跳转计算之前已经进入分支延迟槽。 （在经典RISC 5阶段流水线中，BD在同一周期内被提取，跳转被解码，因此PC + 4下一个指令地址已经可用于跳转和分支，并且相对于跳转自己的地址计算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

Answer 2

通常您不必担心计算它们，因为汇编程序（或链接程序）将采取正确的计算方法。假设你有一个小功能：

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二进制指令流时，汇编程序（或链接器，如果你第一次组装成目标文件）将确定函数将驻留在内存中的哪个位置（让我们暂时忽略与位置无关的代码）。它在内存中的位置通常在ABI中指定，或者如果您使用的是模拟器（如SPIM加载0x400000处的代码，则会提供给您 - 请注意该链接还包含一个很好的解释过程）。

假设我们正在谈论SPIM案例，而我们的函数首先在内存中，slti指令将驻留在0x400000，beq位于0x400004，所以上。现在我们快到了！对于beq指令，分支目标地址是cont（0x400010）查看MIPS instruction reference的指令，我们看到它被编码为相对于下一条指令，16位立即签名（除以4，因为所有指令必须始终位于4字节对齐的地址上）。

那是：

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

如您所见，您可以分支到-0x1fffc .. 0x20000个字节内。如果由于某种原因，你需要进一步跳跃，你可以使用蹦床（无条件跳转到放置在给定限制内的真实目标）。

与分支目标地址不同，

跳转目标地址使用绝对地址进行编码（再次除以4）。由于指令编码使用6位作为操作码，因此只留下26位用于地址（实际上28位，因为最后2位将为0）因此在形成地址时使用PC寄存器的4位最高有效位（除非你打算跳过256 MB边界，否则无关紧要。）

回到上面的例子，jal func的编码是：

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

您可以快速验证这一点，并使用此online MIPS assembler运行不同的指令（注意它不支持所有操作码，例如slti，所以我只是将其更改为slt这里）：

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

Answer 3

对于像这样的小函数，您可以从分支指令下的指令手动计算它对目标的跳数。如果它向后分支使得跳数为负数。如果该数字不需要全部16位，那么对于最重要的跳数左边的每个数字，将它们设为1，如果跳数为正，则将它们全部设为0，因为大多数分支都接近它们目标，这为大多数情况节省了大量额外的算术。

• 克里斯

Answer 4

我认为计算这些是非常困难的，因为分支目标地址是在运行时确定的，并且预测是在硬件中完成的。如果你更深入地解释了这个问题，并描述了你想要做的事情，那将会更容易帮助。 （：