【 声明：版权所有，欢迎转载，请勿用于商业用途。 联系信箱：feixiaoxing @163.com】

        cpu按部就班地去取指执行是理想情况。很多时候，cpu的pc寄存器会跳来跳去的。跳转的情况很多，一般可以分成三种。第一，绝对跳转；第二，条件跳转；第三，异常跳转。绝对跳转，很容易理解，就是不得不做的跳转，比如在主函数里面调用子函数这种就属于绝对跳转。当然，函数调用的时候还需要把返回的地址保存一下。条件跳转，这种也很常见，就是对数据进行判断后，根据结果来分析下是否需要跳转。而异常跳转，就是发生异常情况不得不做的跳转，比如指令错误，数据除0，访存地址不对齐等等。这些都算是异常跳转。

        今天我们分析的是绝对跳转和条件跳转。根据cpu五级流水线的理论，跳转的地址判断需要在ex阶段才能给出来。但是这个时候pc已经连续给出了两个地址了。也就是说，如果关于跳转的地址计算只能在ex阶段给出，那么cpu还必须要执行跳转指令后面的两条指令。否则的话，cpu就要采取flush流水线的方法来进行解决，这对整个cpu的性能来说，其实是很伤的。

        那mips是怎么做的呢？目前来说，针对跳转问题，mips采取了两个方法。第一，引入延迟槽的概念，也就是说跳转指令后面的指令也会被强制执行；第二，就是把地址的判断和输入提前到译码阶段来进行。当然，既然跳转指令后面的延迟槽指令也会被强制执行，这部分要么用nop代替，要么就要编译器帮忙，引入一些有用的指令了。

1、绝对跳转

        这是译码阶段的verilog代码。从代码可以看出，这个时候其实已经把给pc的jump地址准备好了，也就是branch_target_address_o。同时，branch_flag_o也置为真。

2、条件跳转

        这是条件跳转，和绝对跳转不同的是，这里多了一个reg1_o和reg2_o的判断。也就是只有两个数据相等的时候，才会进行跳转处理。这个时候，细心的同学还会发现，除了设置branch_target_address_o和branch_flag_o之外，还有一个next_inst_in_delayslot_o的输出？这个数值是做什么用的。其实，这个数值是给异常处理用的。因为异常处理的时候，如果发现此时处理的指令是延迟槽的指令，那么就是做pc-4的处理，其中原因大家可以好好思考一下。

3、修改pc_reg.v代码

        有了译码阶段给出的branch_target_address_i和branch_flag_i，这个时候pc就可以按照我们之前的设计跳转到合适的地方了。

4、准备汇编测试代码

5、翻译成指令文件

7、开始波形仿真和测试

         利用iverilog、vvp、gtkwave工具进行编译、运行和显示之后，就可以判断一下跳转的功能有没有实现了。整个波形当中最关键的指标非pc寄存器莫属。当然，我们分析的时候还是一步一步来。

        首先查看rst结束，接着就是ce置位，然后就是pc寄存器数值的更替。通过观察，我们发现pc的地址依次是0x0、0x4、0x8、0x20这样的。这个时候可以看一下测试的汇编代码。第一条汇编代码是ori  $1,$0,0x0001 ，第二条指令是j    0x20，第三条指令是ori  $1,$0,0x0002。而此时，0x20出的代码是，

        这说明两点。第一，pc跳转到0x20是完全正确的，获取的指令也是正确的。第二，在pc发生跳转的时候，当前指令的下一条指令，也就是延迟槽的指令也是被执行的。从上面的图形看，0x4是j 0x20，按照道理来说，下一条指令pc应该修改成了0x20。但是，我们发现pc在递增到0x8之后，才会真正修改为0x20，这说明延迟槽起了作用。

        在实际应用中，延迟槽发挥了很大的作用，但是也给我们后续处理带来了一些麻烦，比如在发生异常中断的时候就要对延迟槽做特别的处理，而且要非常小心才行。