[컴퓨터구조] CH4. RISC-V & RISC-V Instruction #3

Branch

• 계산기와 다른 컴퓨터의 장점은 어떤 의사결정을 할 수 있는 능력이 있다는 것!
  • 컴퓨터는 상황에 따라서 다른 작업을 수행할 수 있다.
  • high-level language로 'if/else, case, while, for loops' 문들이 바로 조건부 코드(Conditionally execute code) 임!
• 원래 PC(Program Counter)는 instruction을 순서대로 실행하기 위해서 한 명령이 끝나면 4씩 증가한다 (각 명령 크기가 4 byte임 ㅇㅇ)
• Branch Instruction은 코드를 중간에 뛰어 넘거나, 이전 코드로 돌아갈 수 있게끔 PC를 수정할 수 있는 명령!
• Branch Instruction에는 두 종류가 있음
  1. Conditional branch : 조건이 참일 때에만 실행.
     • beq (branch if equal) : a == b
     • bne (branch if not equal) : a != b
     • blt (branch if less than) : a < b
     • bge (branch if greater than or equal) : a >= b
     • bltu (branch if less than unsigned) : a < b (a, b는 unsigned)
     • bgeu (branch if greater than or equal for unsigned) : a >= b (a, b는 unsigned)
  2. Unconditional branch : 조건 없이 항상 branch 됨.
     • jal (jump and link)
     • jalr (jump and link register)
  3. Pseudo Instructions

a > b 를 나타내기 위해서는 blt에서 a, b 위치만 바꿔서 넣어주고, a <= b 도 마찬가지로 bge를 뒤집어서 사용한다!

Branch Instructions

1. beq, bne, blt, bge, bltu, bgeu

• B-Type instruction

beq rs1, rs2, label

beq s0, s1, skip  # go to "skip" if (s0 == s1)
.
.
.
skip : add t0, t1, t2

위 코드를 보면 s0와 s1 즉 i와 j가 같을 경우 아래를 그대로 실행하고 (add)
만약 i와 j 가 다를 경우 skip으로 바로 넘겨서 add 생략하고 skip 부터 실행한다.

참고로 같은지 아닌지는 sub instruction을 활용한다. s0와 s1을 빼서 이 32 bit 결과값을 or 연산을 했을 때 모두 0이 나오는지 확인한다.

Branch Destination Address

B-type instructions는 12-bit immediate (imm[12:1]) 을 가지고 있다.

• Branch Instructions은 immediate field를 offset으로 사용한다. (base 에서 더하고 빼는..?)
• Offset은 현재의 PC에 관련 되어있음. 현재 PC 기준으로 더하거나 뺌

Branch destination calculation

• branch instruction에서 부터 -2^12 ~ +2^12 - 2 bytes 사이의 범위로 분기의 범위를 한정한다.
  (jump 하고 싶어도 너무 멀리는 못한다는 뜻)
• 그 결과, destination = PC + sign - extended {imm[12:1], 1'b0}

현재 PC(32 bit)에 offset (immediate imm[12:1]) 을 더한 값이 Branch Destination address이다.
이 때 offset과 pc의 비트가 안맞으므로 offset의 MSB로 sign-extend 해서 32 bit의 앞부분을 채워준다.

보면 if 문 안에 i==j가 있지만 실제로 assembly test에서는 반대인 i != j를 실행한다.

2. slt, sltu, slti, sltiu

• 위 명령어들은 참인지 거짓인지 판별해서 rd에 참이면 1을, 거짓이면 0을 저장하는 명령어다.
• slt, slti 는 sign numbers
  sltu, sltiu 는 unsigned numbers에서 쓴다.
• slti와 sltiu에서 immediates는 sign-extended를 사용한다.

slt rd, rs1, rs2 # set on less than (R-type)
sltu rd, rs2, rs2 # set on less than unsigned (R-type)
slti rd, rs1, imm12 # set on less than immediate (I-type)
sltiu rd, rs1, imm12 # set on less than unsigned immediate (I-type)

slt t0, s0, s1 # if (s0 < s1) then t0 = 1;

sltiu t0, s0, 25 # if (s0 < 25) then t0 = 1;

3. jal (jump and link)

• J-type instruction
• Unconditional branch
• jal 은 다시 돌아올 주소를 기억하고 다른 어딘가의 주소로 jump 하는 명령어
  (ret을 만나면 돌아오려고 한 주소로 돌아온다)

jal rd, target // PC <- target
               // rd <- PC + 4

위처럼 PC를 target으로 이동할 건데, rd 자리에 원래 읽던 PC+4 를 저장해두고 (원래 진행중인 명령의 다음 명령 즉 jal 다음 명령)
target 읽으러 감.

j LLL // == jal x0, LLL
jal foo // == jal ra, foo

j instruction은 pseudo instruction이다! jal x0 , LLL 이니까 LLL로 jump 할 거긴 한데, rd 가 x0 로 지정이 되었으므로 PC+4를 대입하지 않고 아무것도 안하고 그냥 jump하고 끝낸다. x0 의 값은 0으로 변하지 않기 때문!

jal foo는 ra가 생략된 것으로, foo로 점프했다가 원래 읽던 명령 jal 다음 명령의 주솟값을 ra에 임시로 저장해뒀다가 foo를 읽으러 간다.

Procedure (function)

1. 프로그래머들은 procedure나 function을 이용해서 프로그램을 짜게 된다.
   • 프로그램을 modular, 즉 모듈화 하고 이해하기 쉽게 만들기 위해!
   • 코드의 재사용성을 높이기 위해!
   • procedure는 프로그래머가 한 번에 한 부분에만 집중할 수 있게 해준다!
2. Parameters (=arguments)는 procedure과 나머지 프로그램 사이의 interface 역할을 해준다.
3. procedure는 부른다.
   • caller : calling procedure (함수 호출 부분)
   • callee : called procedure (호출된 함수)

jal - ret pair

jal로 함수를 호출해 pc를 이동시켰다면 어떻게 다시 돌아오냐! 바로 ret이라는 명령어다.
ret 은 이전에 저장한 ra의 주소로 다시 점프한다.

즉, jal 이 ra에다가 PC+4의 주소를 저장을 한 다음 simple로 jump를 하면 simple을 읽기 시작할거고, simple을 읽다가 ret을 만나면 아까 저장한 ra의 주소로 다시 jump를 해서 jal의 다음 instruction을 다시 차례대로 읽어나간다.

4. jalr (jump and link register)

• I-Type instruction
• Indirect jump

jalr rd, imm12(rs1) // PC <- rs1 + imm12
                     // rd <- PC + 4

jalr x1, 4(t0)

jair은 직접 이름으로 접근하는게 아니라 rs1 + imm12 가 주소인 곳으로 직접 찾아간다.
rd는 jal 과 마찬가지로 현재 보고 있는 명령 다음 줄, 즉 PC+4 를 저장해준다.

Jumping Far Away

• 만약 jal 의 destination이 바로 갈 수 있는 20-bit보다 더 너무 멀면 어떻게 할까?
• call pseudo instruction을 이용하자! (= auipc + jalr )

보면 foo가 jal로 부터 너무 멀다! 이럴 경우에는 auipc를 활용한다.

잊어버렸을 것 같으니 auipc가 뭐냐면

auipc는 현재 보고 있는 instruction의 주소(=PC)로 부터 상수만큼 더한 숫자를 저장하는 것]

즉, auipc x1, offset[31:12] + offset[11] 을 하면 x1 자리에 offset 11부터 31까지를 저장을 하고
jal x1, offset[11:0](x1)을 통해 x1 즉 offset의 11~31 범위 + offset[11:0] 즉 offset의 0~11 범위를 더해 그 위치로 jump를 해주면 된다.

정리하자면 기나긴, 가고자 하는 함수의 주소를 쪼개서 더하고 그 위치로 jump를 한다는 것

5. Jump Pseudo-Instructions

그렇다면 auipc에서 왜 굳이 offset을 31:12 와 11로 쪼갤까??
참고로 offset[11] 은 sign-extention 이다. offset[11] 이 0일 때와 1일 때를 보자

1) offset[11] == 0 : {offset[31:12], offset[11:0]}
2) offset[11] == 1 : {{offset[31:12], 0x000} + {0xffff_f, offset[11:0] = {offset[31:!2] , offset[11:0]}