RISC-V指令集讲解（5）条件和无条件跳转指令

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 <s rs2) pc += sext(offset)

3.4 BLTU

BLTU(branch if less than，unsigned，无符号小于时分支)，其指令格式为BLTU rs1，rs2，offset。if (rs1 <u rs2) pc += sext(offset)

3.5 BGE

BGE(branch if greater than or equal，大于等于时分支)，其指令格式为BGE rs1，rs2，offset。if (rs1 ≥s rs2) pc += sext(offset)

3.6 BGEU

BGEU(branch if greater than or equal，unsigned，大于等于时分支)，其指令格式为BGEU rs1，rs2，offset。if (rs1 ≥u rs2) pc += sext(offset)

备注：关于分支指令的其他完整示例介绍内容，请搜索引擎搜索“IC知识库”查看。