RISCV：如何计算分支指令？

Question

我试图了解现代 CPU 的工作原理。我专注于 RISC-V。有几种类型的分支：

• BEQ
• BNE
• BLT
• BGE
• BLTU
• BGEU

我使用金星模拟器来测试这个，我也在尝试模拟它，到目前为止它工作得很好，但我不明白，分支是如何计算的。从我读到的内容来看，ALU 单元只有一个信号输出—— ZERO（除了它的数学输出），只要输出为零，它就处于活动状态。但是，我如何仅根据ZERO输出来确定是否应该采用分支？它们是如何计算的？

示例代码：

addi t0, zero, 9
addi t1, zero, 10
blt t0, t1, end
end:

分支示例：

BEQ- 减去 2 个数字，如果ZERO是活动的，则分支

BNE- 减去 2 个数字，如果ZERO不是活动的，则分支

BLT- 在这里我有点困惑；我应该减去然后查看符号位，还是什么？

BGE/ BGEU- 以及如何区分这些？我应该使用哪些数学指令？

谢谢

Answer 1

是的，零输出给你相等/不相等。如果运行速度更快（在部分时钟周期中更早准备好）和/或使用更少的功率（更少的晶体管开关），您还可以使用 XOR 而不是 SUB 进行相等比较。

有趣的事实：MIPS 只有 eq / ne 和有符号比较零条件，所有这些都可以快速测试，无需进位传播或任何其他级联位。这很重要，因为它在解码的同一阶段检查分支条件，从而减少分支延迟。（所以 1 个分支延迟槽隐藏了延迟。）

为什么使用只有零输出的 ALU？这使得它无法用于除完全相等之外的比较。

您需要其他输出来根据减法结果确定 GT / GE / LE / LT（及其无符号等效项）。

对于无符号条件，您只需要零和一个进位/借位（无符号溢出）标志。

结果的符号位本身对于有符号条件是不够的，因为有符号溢出是可能的：(-1) - (-2)= +1: -1 > -2(signbit clear) but (8-bit wraparound) 0x80 - 0x7F = +1(signbit also clear) but -128 < 127. 数字的符号位本身仅在与零比较时才有用。

如果您扩大结果（通过对输入进行符号扩展并再执行一位加/减），则会导致有符号溢出不可能，因此第 33 位直接是有符号小于结果。

您还可以通过signed_overflow XOR signbit而不是实际扩大 + 添加来获得带符号的小于结果。如果 RISC-V 有任何用于软件检查有符号整数溢出的架构方法，您可能还需要 ALU 输出用于有符号溢出。

可以通过查看 MSB（符号位）的进位和进位来计算有符号溢出。如果这些不同，你就会溢出。即 SF = 这两个进位的异或。另请参阅http://teaching.idallen.com/dat2343/10f/notes/040_overflow.txt，详细了解无符号进位与带符号溢出的 2 位和 4 位示例。

在带有 FLAGS 寄存器的 CPU（例如 x86 和 ARM）中，这些 ALU 输出实际上进入具有指定位的特殊寄存器。您可以查看x86 手册中的条件跳转指令，以了解条件名称l（有符号小于）或b（下面无符号）如何映射到这些标志：

签署条件：

• jl（又名 RISC-V blt）：少则跳转（SF=? OF）。这是输出符号位不等于溢出标志，来自减法/ cmp
• jle: 小于或等于 ( ZF=1 or SF=? OF) 时跳转。
• jge（又名 RISC-V bge）：如果大于或等于（SF=OF）则跳转。
• jg（又名 RISC-V bgt）：如果更大（ZF=0 and SF=OF），则跳短。

如果你决定让你的 ALU 只产生一个“有符号小于”的输出而不是单独的 SF 和 OF 输出，那很好。 SF==OF只是!(SF != OF).

（x86 对于相同的操作码也有一些助记同义词，比如jl= jnge。“只有”16 个 FLAGS 谓词，包括OF=0单独的（测试溢出，而不是比较结果）和奇偶校验标志。你只关心实际的签名/无符号比较条件。）

如果您仔细考虑一些示例案例，例如测试，INT_MAX > INT_MIN您就会明白为什么这些条件是有意义的，就像我上面针对 8 位数字显示的示例一样。

未签名：

• jb（又名RISC-V bltu）：如果低于（CF=1）则跳转。那只是测试进位标志。
• jae（又名 RISC-V bgeu）：如果高于或等于 ( CF=0)，则跳短。
• ja（又名 RISC-V bgtu）：如果高于 ( CF=0 and ZF=0)，则跳短。

（请注意，x86 减法设置 CF = 借位输出，因此1 - 2设置 CF=1。其他一些 ISA（例如 ARM）将减法的进位标志反转。在实现 RISC-V 时，这将全部在 CPU 内部，对软件在架构上不可见.)

我不知道 RISC-V 是否真的有所有这些不同的分支条件，但 x86 有。

可能有比做减法更简单的方法来实现有符号或无符号比较器。

但是，如果您已经有一个加/减 ALU 并且想要搭载它，那么您可能只希望它生成进位和有符号小于输出以及零。

这样您就不需要单独的符号标志输出，也不需要获取整数结果的 MSB。它只是 ALU 内部的一个额外的 XOR 门来组合这两件事。