cpu - 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。分支的类型很少：


BEQ
BNE
BLT
BGE
BLTU
BGEU


我使用venus模拟器对此进行了测试，并且我也尝试对其进行模拟，到目前为止，它仍然可以正常工作，但是我不明白分支的计算方式。
根据我的阅读，ALU单元只有一个信号输出-ZERO（除了其数学输出），只要输出为零，该信号就处于活动状态。但是，我如何确定是否应该仅基于ZERO输出来确定分支？以及如何计算？

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处于活动状态，则分支

BNE-减去2个数字，如果 ZERO未激活，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？我应该使用什么数学指令？

谢谢

Answer 1

是的，ZERO输出为您提供等于/不等于。如果运行速度更快（在部分时钟周期中更早准备）和/或使用更少的功率（更少的晶体管开关），您也可以使用XOR而不是SUB进行相等比较。

有趣的事实：MIPS仅具有eq / ne和有符号比较-反对零条件，所有这些条件都可以快速进行测试，而无需进位传播或任何其他级联位。这很重要，因为它在与解码相同的阶段检查了分支条件，从而减少了分支等待时间。 （因此1个分支延迟插槽隐藏了延迟。）



为什么使用仅输出零的ALU？这使得除完全相等之外的其他比较无法使用。

您需要其他输出来从减法结果中确定GT / GE / LE / LT（及其无符号等效项）。

对于无符号条件，您所需要做的只是零和一个进位/借位（无符号溢出）标志。



结果本身的符号位不足以用于带符号的条件，因为可能发生带符号的溢出：(-1) - (-2) = +1：-1 > -2（符号位清除）但（8位环绕）0x80 - 0x7F = +1（符号位也清除），但-128 < 127。仅当与零比较时，数字的符号位才有用。

如果扩大结果（通过对输入进行符号扩展并再做一点加法/加法运算），则将导致有符号溢出成为不可能，因此第33位是直接小于符号的结果。

您还可以从signed_overflow XOR signbit获得小于符号的结果，而不是实际上加宽+添加。如果RISC-V具有任何用于软件检查签名整数溢出的体系结构方式，则您可能还希望ALU输出用于签名溢出。

可以通过查看进位和从MSB（符号位）中执行进位来计算符号溢出。如果这些不同，则您溢出。即SF =这两个进位的XOR。另请参见http://teaching.idallen.com/dat2343/10f/notes/040_overflow.txt，以详细了解2位和4位示例的无符号进位与有符号溢出。



在具有FLAGS寄存器的CPU（例如x86和ARM）中，这些ALU输出实际上进入带有命名位的特殊寄存器中。您可以查看x86 manual for conditional-jump instructions来查看诸如l（小于符号）或b（以下未签名）之类的条件名称如何映射到这些标志：

签署条件：


jl（又名RISC-V blt）：如果小于（SF≠ OF）则跳转。从减法/ cmp中得出的输出符号位不等于溢出标志
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）：如果较大，则跳短（ZF=0 and SF=OF）。


如果您决定让ALU只是产生一个“小于符号”输出，而不是单独的SF和OF输出，那很好。 SF==OF就是!(SF != OF)。

（x86还为同一操作码提供了一些助记词同义词，例如jl = jnge。“只有” 16个FLAGS谓词，包括单独的OF=0（测试溢出，而不是比较结果）和奇偶校验标志。您只关心实际的有符号/无符号比较条件。）

如果您通过一些示例案例进行思考，例如测试INT_MAX > INT_MIN，您将了解这些条件为何有意义，就像我上面为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）：如果大于或等于（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）会反转进位标志以进行减法。在实现RISC-V时，这将全部在CPU内部，而不是体系结构对软件可见）。

我不知道RISC-V是否实际上具有所有这些不同的分支条件，但是x86确实具有。

实现有符号或无符号比较器可能比进行减法更简单。

但是，如果您已经有一个加/减ALU并希望使用它，那么您可能只希望它生成“进位”和“小于符号”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。这只是ALU内部一个额外的XOR门，可以将这两件事结合在一起。