ARM流水线

PC到底是多少呢？

“然后PC=PC+1”，老师经常这么说。

这不完全正确，PC自增一的情况指出现在无流水（non-pipeline）的情况下，这个时候取指，译码，执指都是顺序执行的。而在有流水的情况下就比较复杂了这里用arm7的三级流水线为例。

流水线使用三个阶段，因此指令分为三个阶段执行：1.取指（从存储器装载一条指令）；2.译码（识别将要被执行的指令）；3.执行（处理指令并将结果写回寄存器）。

而R15（PC）总是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在执行”的指令或正在“译码”的指令。一般来说，人们习惯性约定将“正在执行的指令作为参考点”，称之为当前第一条指令，因此PC总是指向第三条指令。当ARM状态时，每条指令为4字节长，所以PC始终指向该指令地址加8字节的地址，即：PC值=当前程序执行位置+8；

其余流水线类比此处。

ARM流水线概述

流水线技术通过多个功能部件并行工作来缩短程序执行时间，提高处理器核的效率和吞吐率，从而成为微处理器设计中最为重要的技术之一。ARM7处理器核使用了典型三级流水线的冯·诺伊曼结构，ARM9系列则采用了基于五级流水线的哈佛结构。通过增加流水线级数简化了流水线各级的逻辑，进一步提高了处理器的性能。

ARM7的三级流水线在执行单元完成了大量的工作，包括与操作数相关的寄存器和存储器读写操作、ALU操作以及相关器件之间的数据传输。执行单元的工作往往占用多个时钟周期，从而成为系统性能的瓶颈。ARM9采用了更为高效的五级流水线设计，增加了2个功能部件分别访问存储器并写回结果，且将读寄存器的操作转移到译码部件上，使流水线各部件在功能上更平衡；同时其哈佛架构避免了数据访问和取指的总线冲突。

然而不论是三级流水线还是五级流水线，当出现多周期指令、跳转分支指令和中断发生的时候，流水线都会发生阻塞，而且相邻指令之间也可能因为寄存器冲突导致流水线阻塞，降低流水线的效率。本文在对流水线原理及运行情况详细分析的基础上，研究通过调整指令执行序列来提高流水线运行性能的方法。

ARM三级流水线

ARM7三级流水线结构

ARM7三级流水线状态

ARM7三级流水线举例

从上图，其实很容易看出，第一条指令：

add r0, r1,$5

执行的时候，此时PC已经指向第三条指令：

cmp r2,#3

的地址了，所以，是PC=PC+8。

为何ARM9和ARM7一样，也是PC=PC+8？

ARM7的三条流水线，PC=PC+8，很好理解，但是AMR9中，是五级流水线，为何还是PC=PC+8，而不是

PC=PC+(5-1)*4=PC + 16呢？

下面就需要好好解释一番了。

具体解释之前，先贴上ARM7和ARM9的流水线的区别和联系：

ARM7三级流水线 vs ARM9五级流水线

ARM7三级流水线到ARM9五级流水线的映射

下面开始对为何ARM9也是PC=PC+8进行解释。

先列出ARM9的五级流水线的示例：

举例分析为何PC=PC+8

然后我们以下面uboot中的start.S的最开始的汇编代码为例来进行解释：

start.s

下面对每一个指令周期，CPU做了哪些事情，分别详细进行阐述：

在看下面具体解释之前，有一句话要牢记，那就是：

PC不是指向你正在运行的指令，而是PC始终指向你要取的指令的地址.

认识清楚了这个前提，后面的举例讲解，就容易懂了。

1.指令周期Cycle1

取指

PC总是指向将要读取的指令的地址（即我们常说的，指向下一条指令的地址），而当前PC=4，所以去取物理地址为4对对应的指令.

ldr pc, [pc, #20]

其对应二进制代码为e59ff014。

此处取指完之后，自动更新PC的值，即PC=PC+4（单个指令占4字节，所以加4）=4+4=8

2.指令周期Cycle2

译指

翻译指令e59ff014

同时再去取指

PC总是指向将要读取的指令的地址（即我们常说的，指向下一条指令的地址），而当前PC=8，所以去物理地址为8所对应的指令“ldr pc, [pc, #20]” 其对应二进制代码为e59ff014。

此处取指完之后，自动更新PC的值，即PC=PC+4=8+4=12=0xc

指令周期Cycle3

执行（指令）

执行“e59ff014”，即

ldr pc, [pc, #20]

所对表达的含义，即PC

= PC + 20

= 12 + 20

= 32

= 0x20

此处，只是计算出待会要赋值给PC的值是0x20，这个0x20还只是放在执行单元中内部的缓冲中。

译指

翻译e59ff014

取指

此步骤由于是和上面（1）中的执行同步做的，所以，未受到影响，继续取指，而取指的那一时刻，PC为上一Cycle更新后的值，即PC=0xc，所以是去取物理地址为0xc所对应的指令

ldr pc, [pc, #20]

对应二进制为e59ff014