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schema_version: 1
exam_id: "sose26-probeklausur"
aufgabe: 2
unit_id: "2-6"
source_group_id: "2"
official_exam: true
official_solution: true
language: "ko"
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# 2-6 — `jal ra,32` 매칭

> **학습 목표:** J-type `jal` encoding에서 rd와 분산 signed offset을 복원해 `jal ra,32`를 함수 호출 형태로 판별한다.
>
> **왜 따로 배우는가:** `jal`은 단순히 PC를 바꾸는 것과 동시에 link address를 남깁니다. target 절대값과 PC-relative offset을 구분하고 rd까지 읽어야 call, unconditional jump, 다른 위치의 jump를 구분할 수 있습니다.
>
> **범위:** Aufgabe 2 · 8점 Aufgabe의 최소 학습 단위 · 시험 p6 · 공식 해설 p7

## 1. 문제 원문 (Deutsch)

이 unit은 공식 Teilaufgabe 또는 표의 한 행·한 access를 학습 가능한 최소 단위로 다시 나눈 것입니다. 아래 전사는 source group `2`의 공식 독일어 문제 원문이며, 페이지 이미지를 바로 뒤에 함께 두어 코드·표·도식을 대조할 수 있게 했습니다.

~~~text
Aufgabe 2: Binärcode und Assemblerzuordnung

Unten sind 9 RISC-V-Befehle und 8 binäre Repräsentationen gegeben. Verbinden Sie die passenden Paare miteinander.

Hinweise:

- Nicht alle der dargestellten Befehle und Bitsequenzen gehören zusammen. Falls Sie ein Element ohne passende Entsprechung identifizieren, streichen Sie es durch.
- nop und ret sind sogenannte Pseudoinstruktionen. Um diese dekodieren zu können, schreiben Sie diese zuerst als Basis-Instruktion auf. Diese finden Sie in der RISC-V Reference¹ im Moodle.
- In dieser Aufgabe wird die Bitdarstellung von links (Bit 31) nach rechts (Bit 0) gelesen.

|  |  |
|---|---|
| `0x00000013` | `beq s0, s1, 12` |
| `00000000100101000000011001100011` | `sw a4, 8(t0)` |
| `0x00008067` | `add t0, a6, t2` |
| `00000000111000101010010000100011` | `jal ra, 32` |
| `0x007802B3` | `nop` |
| `00000010000000000000000011101111` | `ret` |
| `0xFE6298E3` | `bne t0, t1, -16` |
| `00000000111101110001011000110011` | `sll a2, a4, a5` |
|  | `addi t0, a6, 2` |

¹ https://moodle.informatik.tu-darmstadt.de/pluginfile.php/331793/mod_resource/content/9/RISC-V%20Reference.pdf
~~~

![공식 시험 원문 — exam-p06.png](../../assets/exam-p06.png)

*공식 시험 원문: `exam-p06.png` · Probeklausur.pdf · PDF p.6*

### 이 unit에서 풀 항목

J-type jump offset과 rd를 확인하세요.

## 2. 쉬운 한국어 해석

문제 2: 이진 코드와 어셈블리 명령 연결

아래에 9개의 RISC-V 명령과 8개의 이진 인코딩 표현이 주어져 있다. 서로 맞는 쌍을 연결하시오.

유의사항:

- 제시된 모든 명령과 bit sequence가 서로 대응하는 것은 아니다. 대응 항목이 없는 요소를 발견하면 취소선을 그으시오.
- nop과 ret은 이른바 pseudoinstruction이다. 이를 decode하려면 먼저 base instruction으로 써라. 해당 base instruction은 Moodle의 RISC-V Reference¹에서 찾을 수 있다.
- 이 문제의 bit 표기는 왼쪽이 Bit 31이고 오른쪽이 Bit 0이다.

| 이진 인코딩 표현 | RISC-V 명령 |
|---|---|
| `0x00000013` | `beq s0, s1, 12` |
| `00000000100101000000011001100011` | `sw a4, 8(t0)` |
| `0x00008067` | `add t0, a6, t2` |
| `00000000111000101010010000100011` | `jal ra, 32` |
| `0x007802B3` | `nop` |
| `00000010000000000000000011101111` | `ret` |
| `0xFE6298E3` | `bne t0, t1, -16` |
| `00000000111101110001011000110011` | `sll a2, a4, a5` |
|  | `addi t0, a6, 2` |

¹ https://moodle.informatik.tu-darmstadt.de/pluginfile.php/331793/mod_resource/content/9/RISC-V%20Reference.pdf

### 이 unit에 해당하는 최소 작업

J-type jump offset과 rd를 확인하세요.

이 문제에서 최종 결과만 맞히는 것보다 중요한 것은 `2-6`에 필요한 중간 판단을 답안지에 남기는 것입니다.

## 3. 무엇을 묻는 문제인가

### 공식 문제의 요구사항

- 8개의 encoded machine word를 각각 대응하는 RISC-V 명령과 연결한다.
- 대응 항목이 없는 요소를 찾아 취소선으로 표시한다.
- nop과 ret을 decode하기 전에 각각 base instruction으로 확장한다.

### 조건과 제약

- 명령 후보는 9개이고 encoding 후보는 8개이다.
- 모든 항목이 대응한다고 가정하지 말고 field를 decode해 일대일로 검증한다.
- nop과 ret은 pseudoinstruction이므로 base instruction을 먼저 써야 한다.
- 32-bit 표기는 왼쪽부터 Bit 31, 오른쪽 끝이 Bit 0이다.
- hex로 적힌 항목과 32자리 binary로 적힌 항목을 모두 instruction encoding 후보로 취급한다.

### 원문 오탈자·도식 관련 주의

- 원문은 ‘8 binäre Repräsentationen’이라고 부르지만 여덟 항목 중 네 개는 0x 접두사가 붙은 hexadecimal 표기이고 네 개만 32자리 binary bit sequence로 직접 표기되어 있다.
- PDF의 두 열은 같은 행끼리 이미 대응한다는 뜻이 아니라 연결할 두 후보 목록이다. 이를 보존하기 위해 열 순서와 행 배치만 표로 옮겼다.
- 각주 URL은 PDF에서 ‘RISC-V%’와 ‘20Reference.pdf’ 사이가 줄바꿈되어 있으나 실제 URL의 percent-encoding인 ‘%20’으로 연결해 기록했다.

### 도식 시각 확인 상태

- **도식 의존 여부:** 이 최소 unit의 핵심 판정은 텍스트·수식·코드로 재현할 수 있습니다.
- **공식 페이지 상태:** exam-p06.png, solution-p07.png가 원문 대조용으로 렌더되어 연결되어 있습니다.

### 이 unit의 학습 목표

- **관찰 가능한 목표:** J-type `jal` encoding에서 rd와 분산 signed offset을 복원해 `jal ra,32`를 함수 호출 형태로 판별한다.
- **출제 의도:** `jal`은 단순히 PC를 바꾸는 것과 동시에 link address를 남깁니다. target 절대값과 PC-relative offset을 구분하고 rd까지 읽어야 call, unconditional jump, 다른 위치의 jump를 구분할 수 있습니다.
- **공식 근거 범위:** SoSe26 Probeklausur 시험 p6 Aufgabe 2의 `jal ra,32` 후보·bit열과 공식 해설 p7의 해당 pairing.
- **Aufgabe 공통 선수지식:** 32-bit instruction을 opcode(하위 7 bit)부터 읽고, opcode가 정한 format에 따라 rd/funct3/rs1/rs2/immediate를 분해합니다. Hex는 먼저 4-bit 묶음으로 binary로 바꿉니다.

## 4. 선수 개념과 핵심 용어

### jal

- **뜻:** PC-relative target으로 jump하면서 현재 `PC+4`를 rd에 저장하는 J-type instruction입니다.
- **이 문제에서:** opcode `1101111`, rd=ra, offset +32를 함께 검증합니다.

### J-immediate

- **뜻:** J-type bit열에 `imm[20|10:1|11|19:12]` 순으로 흩어진 signed offset입니다.
- **이 문제에서:** 조각을 재배열하고 implicit bit 0을 붙여 +32를 복원합니다.

### link register

- **뜻:** jump 이후 돌아올 `PC+4`를 받는 rd입니다.
- **이 문제에서:** rd=ra(x1)이면 함수 호출 모양임을 설명합니다.

### PC-relative offset

- **뜻:** 절대 target 주소가 아니라 현재 PC와 target 사이의 signed 차이입니다.
- **이 문제에서:** encoding의 +32를 `target=PC+32`로 해석합니다.

### 이 문제에 적용할 풀이 규칙

### 규칙 1. 두 효과 동시 규칙

`jal rd,offset`은 `rd←PC+4`와 `PC←PC+offset` 두 state update를 수행합니다.

- **시험지에 남길 것:** link와 target을 서로 다른 두 줄의 식으로 씁니다.

### 규칙 2. J-immediate 재배열 규칙

encoding 위치는 `bit31=imm20`, `bits30:21=imm10:1`, `bit20=imm11`, `bits19:12=imm19:12`이며 `imm0=0`입니다.

- **시험지에 남길 것:** `imm[20|19:12|11|10:1|0]` 값 순서로 다시 놓습니다.

### 규칙 3. rd 의미 규칙

rd=ra이면 return address를 남기는 call 형태이고 rd=x0이면 link를 버리는 unconditional jump pseudo `j` 형태입니다.

- **시험지에 남길 것:** rd 아래에 `link 보존` 또는 `link 폐기`라고 표시합니다.

### 공식 문제 전에 푸는 작은 유사 예제

**문제:** `jal x0,16`을 hex로 encoding하고 실행 의미를 적으세요.

**주어진 것**

- jal opcode는 `1101111`입니다.
- offset은 짝수이며 rd=x0입니다.

### 예제 단계 1. +16을 J-immediate 조각으로 나눕니다.

- **왜:** offset bit는 encoding에서 연속으로 저장되지 않습니다.
- **종이에:** `imm[10:1]=0000001000`, 나머지 상위 조각 0, `imm[0]=0`

### 예제 단계 2. rd=x0와 opcode를 붙여 bit열을 만듭니다.

- **왜:** link를 버리는 jump 형태를 encoding에 반영합니다.
- **종이에:** `00000001000000000000 00000 1101111`

### 예제 단계 3. hex와 두 state update를 확인합니다.

- **왜:** encoding뿐 아니라 PC-relative 의미와 link 폐기를 검산합니다.
- **종이에:** `0x0100006F; PC←PC+16, x0 write discarded`

**예제 정답:** `jal x0,16`은 `0x0100006F`이고, link를 버리며 PC를 현재 PC+16으로 바꿉니다.

**독립 검산:** rd만 x1로 바꾸면 hex의 rd field가 `0x80`만큼 증가하고 ra에 PC+4가 남는지 확인합니다.

## 5. 공식 정답 요약

**공식 결론:** `jal ra,32` ↔ `00000010000000000000000011101111`.

### 시험지 문장별 정답 해설

아래는 시험지의 항목 순서를 그대로 유지합니다. 각 항목에서 원문 → 한국어 번역 → 정답 → 판단 근거 → 실제로 쓸 답을 바로 이어서 읽으세요.



### 현재 소문제의 요구·판단·답을 한 흐름으로 연결

### `2-6`에서 정확히 답할 대상

- **시험지가 요구하는 답:** J-type jump offset과 rd를 확인하세요.
- **이 소문제의 공식 답:** `jal ra,32` ↔ `00000010000000000000000011101111`.

### 판단 1. 오른쪽 opcode `1101111`을 찾아 J-type jal로 분류합니다.

- **왜:** J-immediate layout을 적용하기 위한 format 확정 단계입니다.
- **이 판단에서 답안지에 남길 것:** `bits[6:0]=1101111 → jal/J-type`

### 판단 2. rd=ra(x1)를 확인합니다.

- **왜:** jal이 jump하면서 `PC+4`를 어느 register에 남기는지 결정하고 함수 호출 형태를 식별합니다.
- **이 판단에서 답안지에 남길 것:** `rd bits[11:7]=00001=ra; ra←PC+4`를 적습니다.

### 판단 3. J-immediate 조각을 재배열하고 sign-extend해 +32를 얻습니다.

- **왜:** rd가 같은 다른 jal과 구분하려면 PC-relative offset까지 정확히 복원해야 합니다.
- **이 판단에서 답안지에 남길 것:** `imm[20|19:12|11|10:1|0] = 32; target=PC+32`를 씁니다.

### 위 판단이 최종 답으로 이어지는 이유

`jal`은 PC-relative jump와 동시에 PC+4를 rd에 저장합니다. ra를 rd로 쓰면 함수 호출 모양입니다.

### 답안 작성 시 주의

jump target 값 자체가 아니라 현재 PC에 더할 offset이 encoding됩니다.

![공식 Musterlösung/Hinweise — solution-p07.png](../../assets/solution-p07.png)

*공식 Musterlösung/Hinweise: `solution-p07.png` · Probeklausur Musterlösung und Hinweise.pdf · PDF p.7*

## 6. 풀이 전략

1. opcode 1101111을 찾습니다.
2. rd=ra(x1)를 확인합니다.
3. J-immediate 조각을 재배열하고 sign-extend해 +32를 얻습니다.

## 7. 단계별 상세 풀이

### 단계 1. 오른쪽 opcode `1101111`을 찾아 J-type jal로 분류합니다.

- **이유:** J-immediate layout을 적용하기 위한 format 확정 단계입니다.
- **종이에 남길 것:** `bits[6:0]=1101111 → jal/J-type`
- **완료 기준:** jalr의 `1100111`과 구분해 후보를 골랐습니다.
- **막힐 때 힌트:** 두 opcode는 가운데 한 bit가 다르므로 끝 7 bit 전체를 읽으세요.
- **가장 흔한 첫 오류:** jalr와 jal을 같은 opcode로 취급하는 것입니다.

### 단계 2. rd=ra(x1)를 확인합니다.

- **이유:** jal이 jump하면서 `PC+4`를 어느 register에 남기는지 결정하고 함수 호출 형태를 식별합니다.
- **종이에 남길 것:** `rd bits[11:7]=00001=ra; ra←PC+4`를 적습니다.
- **완료 기준:** ABI 이름, x번호, 5-bit field, link 효과가 연결되어 있습니다.
- **막힐 때 힌트:** bits[11:7]은 J-type에서도 연속된 rd field입니다.
- **가장 흔한 첫 오류:** ra를 jump target source register로 읽는 것입니다.

### 단계 3. J-immediate 조각을 재배열하고 sign-extend해 +32를 얻습니다.

- **이유:** rd가 같은 다른 jal과 구분하려면 PC-relative offset까지 정확히 복원해야 합니다.
- **종이에 남길 것:** `imm[20|19:12|11|10:1|0] = 32; target=PC+32`를 씁니다.
- **완료 기준:** implicit 0, signed 해석, +32 target 식이 모두 있습니다.
- **막힐 때 힌트:** encoding의 bits30:21이 imm[10:1]이고 마지막 bit 0은 저장되지 않습니다.
- **가장 흔한 첫 오류:** bit열 조각을 놓인 순서 그대로 읽거나 32를 절대 target 주소로 해석하는 것입니다.

### Instruction field 검산

bit열을 느낌으로 고르지 말고 다음 field를 실제 위치에서 확인합니다.

- **format:** J-type jal
- **opcode:** 1101111
- **rd:** ra=x1
- **imm:** +32, PC-relative·조각 재배열

## 8. 문제와 공식 해설의 비교·검증

- **문제가 요구하는 것:** J-type jump offset과 rd를 확인하세요.
- **공식 해설이 제시하는 결론:** `jal ra,32` ↔ `00000010000000000000000011101111`.
- **결론을 재현하는 핵심 논리:** `jal`은 PC-relative jump와 동시에 PC+4를 rd에 저장합니다. ra를 rd로 쓰면 함수 호출 모양입니다.
- **검증 방법:** 위 micro-step의 `종이에 남길 것`을 순서대로 만들고 각 `완료 기준`을 확인합니다. 최종 산출물이 공식 결론과 같은지 대조합니다.
- **전제와 주의 범위:** jump target 값 자체가 아니라 현재 PC에 더할 offset이 encoding됩니다.
- **채택할 시험 답:** 이 가이드에서는 공식 Musterlösung의 결론을 시험 답으로 유지하며, 일반 ISA 또는 다른 구현과 달라질 수 있는 부분은 위 전제와 주의 범위에서 분리합니다.

## 9. 시험장에서 쓸 최종 답안

`jal ra,32` ↔ `00000010000000000000000011101111`.

답안지에는 결과만 쓰지 말고, 7절의 중간 산출물 가운데 판정을 증명하는 식·bit field·register 상태·cycle·cache 상태를 함께 남기세요.

## 10. 자주 하는 실수와 검산 체크리스트

### 대표 실수

- jump target 값 자체가 아니라 현재 PC에 더할 offset이 encoding됩니다.
- jalr와 jal을 같은 opcode로 취급하는 것입니다.
- ra를 jump target source register로 읽는 것입니다.
- bit열 조각을 놓인 순서 그대로 읽거나 32를 절대 target 주소로 해석하는 것입니다.

### 빠른 self-check

- **회상 질문:** `jal x0,label`은 어떤 pseudo instruction과 같은 역할인가요?
- [ ] J-type bit열에서 rd와 signed offset을 독립적으로 복원할 수 있다.
- [ ] `jal ra,off`와 `jal x0,off`의 target은 같고 link 효과만 다름을 설명할 수 있다.

## 11. 짧은 확인 문제와 전이 연습

### 개념 재구성

**문제:** J-type encoding 위치를 실제 signed offset bit 순서로 복원하고 `jal rd,off`의 link와 target 효과를 식으로 쓰세요.

**힌트:** bit20은 imm[11]이고 bit0 offset은 implicit입니다.

<details>
<summary>정답과 채점 기준 보기</summary>

**모범 답:** encoding은 `bit31=imm[20]`, `bits30:21=imm[10:1]`, `bit20=imm[11]`, `bits19:12=imm[19:12]`, `imm[0]=0`입니다. 실행은 `rd←PC+4`, `PC←PC+off`입니다.

**채점 기준**
  - bit31=imm[20]
  - bits30:21=imm[10:1]
  - bit20=imm[11]
  - bits19:12=imm[19:12]
  - imm[0]=0
  - rd←pc+4|rd<-pc+4
  - pc←pc+off|pc<-pc+off

</details>

### 변형 문제

**문제:** PC=`0x2000`에서 `jal x5,-20`을 실행한다. 새 PC와 x5에 기록되는 값을 계산하고 call-like link가 보존되는지 말하세요.

**힌트:** target에는 -20, link에는 항상 +4를 적용하세요.

<details>
<summary>정답과 채점 기준 보기</summary>

**모범 답:** 새 PC는 `0x2000-0x14=0x1FEC`이고 x5에는 link address `0x2004`가 기록됩니다. rd가 x0가 아니므로 call-like link가 보존됩니다.

**채점 기준**
  - 0x1fec
  - x5
  - link address
  - 0x2004
  - 보존

</details>

### 오답 진단

**문제:** 학생이 encoding의 +32를 절대 주소 `0x00000020`로 읽고 rd=ra를 target register라고 설명했습니다. 첫 의미 오류부터 두 효과를 바로잡으세요.

**힌트:** jal은 register-indirect jump인지 PC-relative jump인지 구분하세요.

<details>
<summary>정답과 채점 기준 보기</summary>

**모범 답:** 첫 오류는 +32를 절대 주소로 해석한 것입니다. jal의 target은 `PC+32`입니다. rd=ra는 target source가 아니라 link destination이라 ra에 `PC+4`가 기록됩니다.

**채점 기준**
  - 절대 주소
  - pc+32
  - rd=ra
  - link destination
  - pc+4

</details>

## 12. 근거 자료

- `[문제 출처] current:Probeklausur.pdf` — 시험 p6 · 공식 해설 p7
- `[공식 해설] current:Probeklausur Musterlösung und Hinweise.pdf` — 시험 p6 · 공식 해설 p7
- `[정확한 원문 group] 2` — 시험 p.6 · 공식 해설 p.7
- `[소문항 범위] SoSe26 Probeklausur 시험 p6 Aufgabe 2의 `jal ra,32` 후보·bit열과 공식 해설 p7의 해당 pairing.`
- `[개념 근거 · file-level] current:Vorlesung/Rechnerorganisation - Teil 1.pdf` — RISC-V instruction format과 machine language
- `[개념 근거 · file-level] current:Uebung/Übung 1 Musterlösung.pdf` — RISC-V format과 encoding
- `[개념 근거 · file-level] current:Uebung/Übung 2 Musterlösung/Rechnerorganisation_Übung2_Lösung.pdf` — Immediate와 assembler hand-trace
- `[개념 근거 · file-level] current:Uebung/RISC-V Reference.pdf` — register 별칭, opcode, pseudoinstruction

### 이 파일에서 직접 대조한 공식 이미지

- `exam-p06.png` — Probeklausur.pdf · PDF p.6
- `solution-p07.png` — Probeklausur Musterlösung und Hinweise.pdf · PDF p.7

정확한 강의 슬라이드 한 페이지를 확정하지 못한 개념 자료는 `file-level`로 표시했습니다. 페이지 번호를 추측해서 만들지 않았습니다.