Rocket Chip 代码注释已上传至github，持续更新中。

Return Address Stack

RAS(Return Address Stack), 即返回地址预测栈，该模块针对函数调用进行优化，在取指令前端维护了一个硬件实现的返回地址预测栈

1. 当执行函数调用(call)时，将函数返回地址(Return Address)入栈
2. 当函数返回(return)时，直接从栈中弹出地址进行取指令

RAS更新相关的指令

call和ret都是RISC-V中的伪指令，查阅riscv-spec中伪指令的定义，可以看到call和return指令主要与JAL、JALR指令相关。

call与return伪指令

但是，从上表可以看出，call和ret指令在关于JALR这条指令上有所重叠，同样是JALR指令，有些是call指令，有些是ret指令，为了区分两者，必须仔细查阅一下手册。

Unconditional Jumps

JALR指令的语义是:

1. 跳转到base+offset地址
2. 将返回/链接地址写入dest寄存器
3. 若返回/链接地址无意义，则dest寄存器置为x0(针对ret指令)

The standard software calling convention uses:

• x1 as the return address register
• x5 as an alternate link register

根据指令集手册中的说明，我们可以进而知道标准的软件调用过程中：

1. 函数调用时，我们希望写入RAS栈中的地址在dest字段(即rd字段)，约定使用x1与x5寄存器;
2. 相应地，当函数返回时，返回地址通常也在x1与x5寄存器, 位于base字段(即rs1字段)，rd字段通常为x0。

了解了上述细节，可以查看Rocket Core中的实现来验证我们的理解（显然，我已经验证过了hh）

// 见 Frontend.scala
val rviJump = rviBits(6,0) === Instructions.JAL.value.asUInt()(6,0)
val rviJALR = rviBits(6,0) === Instructions.JALR.value.asUInt()(6,0)
val rviReturn = rviJALR && !rviBits(7) && BitPat("b00?01") === rviBits(19,15)
val rviCall = (rviJALR || rviJump) && rviBits(7)

Rocket Core中的实现细节

了解了相关指令之后，我们下面关注RAS的具体实现细节，riscv-spec中还明确了RAS的push/pop条件与规范。如下表所示

RAS Push/Pop规范

link: 代表JAL/JALR指令的rs1或rd字段是否使用x1或x5寄存器

表中前三项为常规操作

• 无关指令: 空操作
• Call指令: rd寄存器内容入栈(push)
• ret指令: 出栈(pop)并预测跳转

下面两项比较特别，下面简单说明一下

1. 支持协程实现

一般情况下，函数调用过程中Call与Return指令是配对出现的。(不考虑程序抛出异常)
但是协程与一般函数调用过程不同
(TODO:还没弄清楚orz)

2. macro-op fusion

TODO

Chisel代码实现

Rocket Chip中用面向对象的方式将RAS封装成了一个类(而不是RTL代码中常见的module的写法)，定义了相应的push、pop、peek等接口，为了方便理解，我绘制了一个示意图。

RAS示意图

基于示意图，代码还是比较好理解的。

// Return Address stack
//   主要针对函数调用进行优化:
//      - Call相关指令入栈, 记录返回地址
//      - Return相关指令出栈, 根据记录的返回地址预测跳转
class RAS(nras: Int) {
  // 函数调用时入栈顶
  def push(addr: UInt): Unit = {
    when (count < nras) { count := count + 1 }
    val nextPos = Mux(Bool(isPow2(nras)) || pos < nras-1, pos+1, UInt(0))
    stack(nextPos) := addr
    pos := nextPos
  }
  // 读出栈顶元素
  def peek: UInt = stack(pos)
  // 函数返回出栈
  def pop(): Unit = when (!isEmpty) {
    count := count - 1
    pos := Mux(Bool(isPow2(nras)) || pos > 0, pos-1, UInt(nras-1))
  }
  def clear(): Unit = count := UInt(0)
  def isEmpty: Bool = count === UInt(0)

  // Bug!!! 这里count和pos应该用RegInit，复位初始化为0
  // 当前栈中返回地址个数
  private val count = Reg(UInt(width = log2Up(nras+1)))
  // 栈顶指针
  private val pos = Reg(UInt(width = log2Up(nras)))
  // 栈本体 (:-P)
  private val stack = Reg(Vec(nras, UInt()))
}

一些注意事项

1. 未实现RAS pop then push 操作

截取RAS实例化后的代码

  if (btbParams.nRAS > 0) {
    val ras = new RAS(btbParams.nRAS)
    //
    val doPeek = (idxHit & cfiType.map(_ === CFIType.ret).asUInt).orR
    io.ras_head.valid := !ras.isEmpty
    io.ras_head.bits := ras.peek
    when (!ras.isEmpty && doPeek) {
      io.resp.bits.target := ras.peek
    }
    when (io.ras_update.valid) {
      when (io.ras_update.bits.cfiType === CFIType.call) {
        ras.push(io.ras_update.bits.returnAddr)
      }.elsewhen (io.ras_update.bits.cfiType === CFIType.ret) {
        ras.pop()
      }
    }
  }

可以发现，这里并没有实现指令集手册中的pop then push的操作。

[未完待续，不定期补充]

参考资料

• RISC-V Specifications
• Coroutine Theory
• Macro-op Fusion
• CMU lecture : Branch Predication handouts