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RISC-V jump_label 详解，第 2 部分：指令编码

Wu Zhangjin 创作于 2022/03/28
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Author: Wu Zhangjin falcon@tinylab.org Date: 2022/03/28 Project: RISC-V Linux 内核剖析

背景简介

该系列有多篇文章，旨在分析 RISC-V 架构上的 jump_label 实现。

上一篇介绍了其技术原理，jump_label 能够基本消除 Tracepoint 禁用状态的开销，从而确保 Tracepoint 功能可直接编译进内核，并允许线上按需启用 Tracepoints。

从上一节我们已经知道，jump_label 的实现包含三部分：static_branch(foo), 指令编码以及运行时交换 nop 和 goto label(foo) 指令。

本节先来介绍指令编码部分，即带领大家阅读 RISC-V ISA 手册并把 nop 和 goto label(foo) 指令编码出来，继而分析 arch/riscv/kernel/jump_label.c 中的具体实现。

下载指令手册

上周的直播分享上，贾老师简单介绍了 RISC-V ISA 相关的内容，其中提到有两个重要的手册，一个是非特权 ISA，另外一个是特权 ISA。

从 这里 可以找到相应的手册，其中指令编码部分属于 非特权 ISA 手册。

需要注意的是，这个 Spec 文档并不是一成不变的，所以本文提到的页面甚至章节等都可能变动，本文以 riscv-spec-20191213.pdf 为准。

参考手册编码目标指令

指令长度

在第 1 章中明确提到：

The base RISC-V ISA has fixed-length 32-bit instructions that must be naturally aligned on 32-bit boundaries.

但是：

However, the standard RISC-V encoding scheme is designed to support ISA extensions with variable-length instructions, where each instruction can be any number of 16-bit instruction parcels in length and parcels are naturally aligned on 16-bit boundaries. The standard compressed ISA extension described in Chapter 16 reduces code size by providing compressed 16-bit instructions and relaxes the alignment constraints to allow all instructions (16 bit and 32 bit) to be aligned on any 16-bit boundary to improve code densit

本文讨论正常情况，即所有的指令编码长度是 32 位无符号数。

NOP 指令编码

先来看简单一点的 nop 指令，这个在几乎所有架构上都有定义，但是编码却完全跟架构相关。

在非特权手册的 P20/38 页，即下述位置：

  • Chapter 2. RV32I Base Integer Instruction Set
    • 2.4 Integer Computational Instructions
      • Nop Instruction

很详细地介绍了：

The NOP instruction does not change any architecturally visible state, except for advancing the pc and incrementing any applicable performance counters. NOP is encoded as ADDI x0, x0, 0.

其编码如下：

31   -   20|19-15|14  - 12|11 - 7|6  -   0 | Bits
-----------|-----|--------|------|---------|------------
 imm[11:0] | rs1 | funct3 | rd   | opcode  | Instruction
-----------|-----|--------|------|---------|------------
     12    | 5   |   3    | 5    |    7    | Bits Length
-----------|-----|--------|------|---------|------------
     0     | 0   |  ADDI  | 0    | OP-IMM  | Encoding

其中，x0 被编码为 0，而 ADDI 的 OP-IMM 和 funct3 编码可以从 P130/148 页，即下述位置：

  • Chapter 24. RV32/64G Instruction Set Listings

直接找到：

31   -   20|19-15|14  - 12|11 - 7|6  -   0 | Bits
-----------|-----|--------|------|---------|------------
 imm[11:0] | rs1 | funct3 |  rd  | opcode  | I-Type Instruction
-----------|-----|--------|------|---------|------------
 imm[11:0] | rs1 |  000   |  rd  | 0010011 | ADDI

结合这两部分，确认了 funct3 为 000，而 OP-IMM 为 0010011，进而可以得到如下编码：

31   -   20|19-15|14  - 12|11 - 7|6  -   0 | Bits
-----------|-----|--------|------|---------|------------
 imm[11:0] | rs1 | funct3 |  rd  | opcode  | Instruction
-----------|-----|--------|------|---------|------------
     12    | 5   |   3    |  5   |    7    | Bits Length
-----------|-----|--------|------|---------|------------
     0     | 0   |  000   |00000 | 0010011 | Encoding

所以，NOP 的最终编码是 00010011，即 0x13，考虑指令长度为 32 位，可以定义为：

#define RISCV_INSN_NOP 0x00000013U

JAL/J offset 指令编码

goto label(foo) 是一种无条件跳转需求，并且根据上一篇的分析，其跳转范围在一条 if 语句后面，不会涉及长跳转，所以可以对应 J offset 这样一种直接跳转指令，无需寄存器存放地址后再间接跳转（对应 JALR）。

在最新的 ISA 手册中，硬件 J 指令已经被删除，变成了伪指令，其实现合并进了 JAL 指令，对应 rd=x0，所以实际上我们需要查找的是 JAL offset 指令的编码。

Preface to Version 2.0:

The JAL instruction has now moved to the U-Type format with an explicit destination register, and the J instruction has been dropped being replaced by JAL with rd=x0. This removes the only instruction with an implicit destination register and removes the J-Type instruction format from the base ISA. There is an accompanying reduction in JAL reach, but a significant reduction in base ISA complexity

找到手册的 P21/39 页，即如下位置：

  • Chapter 2. RV32I Base Integer Instruction Set
    • 2.5 Control Transfer Instructions
      • Unconditional Jumps

其说明如下：

Plain unconditional jumps (assembler pseudoinstruction J) are encoded as a JAL with rd=x0. 

      31|30  -  21|  20    |19   -  12|11 - 7|6  -   0 | Bits
--------|---------|--------|----------|------|---------|------------
imm[20] |imm[10:1]|imm[11] |imm[19:12]|  rd  | opcode  | Instruction
--------|---------|--------|----------|------|---------|------------
    1   |   10    |   1    |    8     |  5   |   7     | Bits Length
--------------------------------------|------|---------|-----------
             offset[20:1]             | dest |   JAL   | Encoding

其中这里的直接跳转也是用到 x0 寄存器，dest 可以直接同 NOP 指令，直接编码为 0，而 JAL 的 OP-IMM 同样可以从 P130/148 页，即下述位置：

  • Chapter 24. RV32/64G Instruction Set Listings

直接找到：

31       -          12|11 - 7|6  -   0| Bits
----------------------|------|--------|--------------------
imm[20|10:1|11|19:12] |  rd  | opcode | J-type Instruction
----------------------|------|--------|---------------------
imm[20|10:1|11|19:12] |  rd  | 1101111| JAL Encoding

接下来先把 rd 替换为 x0 寄存器并编码为 0, 则 J offset 指令可以编码如下：

31       -          12|11 - 7|6  -   0| Bits
----------------------|------|--------|--------------------
imm[20|10:1|11|19:12] |  rd  | opcode | J-type Instruction
----------------------|------|--------|---------------------
imm[20|10:1|11|19:12] |  0   | 1101111| J offset Encoding

这里先把 J offset 的 rd 和 opcode 编码定义出来：

#define RISCV_INSN_JAL 0x0000006fU

后面复杂的其实是 offset 的编码，这个并不是简单的把 offset 直接编码进目标指令，而是需要经过复杂的移位。

      31|30  -  21|  20    |19   -  12|11 - 7|6  -   0 | Bits
--------|---------|--------|----------|------|---------|------------
imm[20] |imm[10:1]|imm[11] |imm[19:12]|  rd  | opcode  | Instruction
--------|---------|--------|----------|------|---------|------------
    1   |   10    |   1    |    8     |  5   |   7     | Bits Length
--------------------------------------|------|---------|-----------
             offset[20:1]             |  0   | 1101111 | J offset Encoding

比如说 offset 的第 0 位直接是舍弃的（考虑到代码指令长度和对齐要求，所以这一位其实会一直是零），剩下的是复杂的移位：

  • offset[20] 放到目标指令的第 31 位
  • offset[10:1] 放到目标指令的第 21-30 位
  • offset[11] 放到目标指令的第 20 位
  • offset[12-19] 放到目标指令的第 12-19 位

需要先取出目标位再做相对移位，比如第 11 位要移到目标指令的第 20 位，相对移位 (20-11）。

好在 Linux 内核对于取出目标位提供了专门的宏，咱们先搬运一个试试：

((u32)offset & GENMASK(11, 11)) << (20 - 11)

其对应 “取目标位” 和 “相对移位” 两个操作，完整的 J offset 指令编码则如下：

insn = RISCV_INSN_JAL |
(((u32)offset & GENMASK(19, 12)) << (12 - 12)) |
(((u32)offset & GENMASK(11, 11)) << (20 - 11)) |
(((u32)offset & GENMASK(10,  1)) << (21 -  1)) |
(((u32)offset & GENMASK(20, 20)) << (31 - 20));

寄存器编码

上面介绍到的 NOP 和 JAL/J offset 指令均只用到 x0 寄存器，其编码为 0。

由于其他指令可能会用到寄存器编码，这里做个补充介绍。

相关寄存器（x0-x31）的编码为对应的编号 0-31，验证如下。

先准备一段简单的汇编，保存为 test.s：

# test.s
    .text
    .globl _start
_start:
    li x0, 0
    li x1, 0
    li x2, 0
    li x3, 0
    li x4, 0
    li x5, 0
    li x6, 0
    li x7, 0
    li x8, 0

    li a0, 0                     # return 0
    li a7, 93                    # __NR_exit
    scall

编译并反编译如下：

$ riscv64-linux-gnu-gcc -march=rv64im -mabi=lp64 -nostdlib -static -o test test.s
$ riscv64-linux-gnu-objdump -d -M no-aliases,numeric ./test

Disassembly of section .text:

0000000000010078 <_start>:
   10078:	00000013          	addi	x0,x0,0
   1007c:	00000093          	addi	x1,x0,0
   10080:	00000113          	addi	x2,x0,0
   10084:	00000193          	addi	x3,x0,0
   10088:	00000213          	addi	x4,x0,0
   1008c:	00000293          	addi	x5,x0,0
   10090:	00000313          	addi	x6,x0,0
   10094:	00000393          	addi	x7,x0,0
   10098:	00000413          	addi	x8,x0,0
   1009c:	00000513          	addi	x10,x0,0
   100a0:	05d00893          	addi	x17,x0,93
   100a4:	00000073          	ecall

可以看到 li 被实际编码为 addi 指令。ADDI 指令的编码方式已经在 NOP 指令编码 一节找到：

31   -   20|19-15|14  - 12|11 - 7|6  -   0 | Bits
-----------|-----|--------|------|---------|------------
 imm[11:0] | rs1 | funct3 | rd   | opcode  | I-Type Instruction
-----------|-----|--------|------|---------|------------
 imm[11:0] | rs1 |  000   | rd   | 0010011 | ADDI

把 x0-x8 的寄存器序号 0-8 的二进制编码代入可以依次得到如下编码：

31   -   20|19-15|14  - 12|11 - 7|6  -   0 | Bits
-----------|-----|--------|------|---------|------------
 imm[11:0] | rs1 | funct3 | rd   | opcode  | I-Type Instruction
-----------|-----|--------|------|---------|------------
         0 | 0   |  000   |00000 | 0010011 | addi x0,x0,0
         0 | 0   |  000   |00001 | 0010011 | addi x1,x0,0
         0 | 0   |  000   |00010 | 0010011 | addi x2,x0,0
         0 | 0   |  000   |00011 | 0010011 | addi x3,x0,0
         0 | 0   |  000   |00100 | 0010011 | addi x4,x0,0
         0 | 0   |  000   |00101 | 0010011 | addi x5,x0,0
         0 | 0   |  000   |00110 | 0010011 | addi x6,x0,0
         0 | 0   |  000   |00111 | 0010011 | addi x7,x0,0
         0 | 0   |  000   |01000 | 0010011 | addi x8,x0,0

rd 和 opcode 合并后，正好对应上面的反编译结果，请注意 opcode 只有 7 位，需要从 rd 编码取 1 位凑成后面 2 个十六进制编码，而两者一共 12 位，刚好构成 3 个十六进制数字。

31   -   20|19-15|14  - 12|11 - 7|6  -   0 | Bits
-----------|-----|--------|------|---------|------------
 imm[11:0] | rs1 | funct3 | rd   | opcode  | I-Type Instruction
-------------------------------------------|------------
               0x13:       0000 0001 0011  | addi x0,x0,0
               0x93:       0000 1001 0011  | addi x1,x0,0
              0x113:       0001 0001 0011  | addi x2,x0,0
              0x193:       0001 1001 0011  | addi x3,x0,0
              0x213:       0010 0001 0011  | addi x4,x0,0
              0x293:       0010 1001 0011  | addi x5,x0,0
              0x313:       0011 0001 0011  | addi x6,x0,0
              0x393:       0011 1001 0011  | addi x7,x0,0
              0x413:       0100 0001 0011  | addi x8,x0,0

这样调整一下，就很容易映射过去了。感兴趣的同学，也可以进一步阅读 riscv-gcc 的源代码：gcc/config/riscv。

查看代码实现

接下来再去看代码就比较容易理解了，核心实现见 arch/riscv/kernel/jump_label.c：

#define RISCV_INSN_NOP 0x00000013U
#define RISCV_INSN_JAL 0x0000006fU

void arch_jump_label_transform(struct jump_entry *entry,
			       enum jump_label_type type)
{
	void *addr = (void *)jump_entry_code(entry);
	u32 insn;

	if (type == JUMP_LABEL_JMP) {
		long offset = jump_entry_target(entry) - jump_entry_code(entry);

		if (WARN_ON(offset & 1 || offset < -524288 || offset >= 524288))
			return;

		insn = RISCV_INSN_JAL |     /* J offset 指令编码 */
			(((u32)offset & GENMASK(19, 12)) << (12 - 12)) |
			(((u32)offset & GENMASK(11, 11)) << (20 - 11)) |
			(((u32)offset & GENMASK(10,  1)) << (21 -  1)) |
			(((u32)offset & GENMASK(20, 20)) << (31 - 20));
	} else {
		insn = RISCV_INSN_NOP;     /* NOP 指令编码 */
	}

	mutex_lock(&text_mutex);
	patch_text_nosync(addr, &insn, sizeof(insn));
	mutex_unlock(&text_mutex);
}

本文只涉及 insn 编码部分，余下的部分包括如何获取和计算 offset，如何交换 nop 和 J offset（即 goto label(foo)），其中 offset 的获取和计算同 static_branch(foo) 的实现和 jump table 的设计密切相关。

小结

本文介绍了如何根据 RISC-V 的指令集手册来编码目标指令 nop 和 goto label(foo)，该方法适合类似的指令编码需求，相关需求预期会出现在编译技术、内核汇编、性能优化等领域。

接下来我们将继续探讨剩下的两部分代码实现：static_branch(foo) 和运行时交换 nop 和 goto label(foo) 指令。


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