MIPS 跳转和分支指令范围

Question

我刚开始学习 MIPS，但我无法理解跳转和分支指令的范围。我知道 PC 可以跳跃和分支的“距离”有限制，但我不明白为什么。

还有两个具体问题，如果PC 的当前值为0x00000000，是否可以对随机地址进行 1 次跳转？如果PC 的当前值为0x00000600，是否可以对随机地址执行 1 BRANCH？

Answer 1

MIPS 处理器使用固定大小的指令，其中每个指令字是一个字（即 4 字节 == 32 位）。所以只有这么多信息可以塞进这 4 个字节中。

J 和 JAL 指令使用 32 位中的 6 位来指定操作码。这留下了 26 位来指定目标地址。目标地址并没有直接在指令中指定（没有足够的位） - 相反，会发生这种情况：

• 将目标地址的低 28 位右移 2 位，然后将 26 个最低有效位存储在指令字中。由于所有指令都必须字对齐，因此我们移出的两位将始终为零，因此我们不会丢失任何无法重新创建的信息。
• 发生跳转时，将这26位左移2位，得到原来的28位，然后与J/JAL后面的指令地址的最高4位组合为形成一个 32 位地址。

这使得可以跳转到跳转指令所在的相同 256MB 范围 (2^28) 中的任何指令（或者如果启用了延迟分支；跳转到与该指令相同的 256MB 范围中的任何指令在延迟槽中）。

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对于分支指令，有 16 位可用于指定目标地址。这些存储为相对于分支指令之后的指令的带符号偏移量（同样应用了两位移位，因为没有必要存储我们知道将始终为 0 的东西）。所以还原 2 个最低有效位后的实际偏移量是 18 位，然后将其符号扩展为 32 位，并添加到分支指令之后的指令地址。这使得在分支指令中可以分支到 +/-128kB。

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考虑以下在地址 0x00400024 加载的代码：

main:
j foo
nop
foo:
b main
nop

j foo 指令编码为0x0810000b。 26 个最低有效位的值为0x10000b，左移 2 位后变为0x40002c。 j之后的指令地址的最高4位为零，因此目标地址变为(0 << 28) | 0x40002c，等于0x40002c，恰好是foo的地址。

b main 指令编码为0x0401fffd。 16 个最低有效位的值为0xfffd，左移 2 位后变为0x3fff4。将其符号扩展到 32 位给我们0xfffffff4。将其添加到 b 之后的指令地址时，我们得到 0x400030 + 0xfffffff4，它（截断为 32 位时）等于 0x400024，恰好是 main 的地址。

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如果要跳转到某个任意地址，请将地址加载到寄存器中并使用jr 或jalr 指令跳转。