ARM 三级流水线

   ARM处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度，这样可使几个操作同时进行，并使处理与存储器系统之间的操作更加流畅，连续，能提供0.9MIPS/MHZ的指令执行速度。

              PC代表程序计数器，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；

                           周期1     周期2         周期3          周期4           周期5        周期6

         PC-8         取指        译码           执行

        PC-4                           取指          译码            执行

        PC                                                 取指            译码              执行

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3.4. 为何ARM7中PC=PC+8

此处解释为何ARM7中，CPU地址，即PC，为何有PC=PC+8这一说法：

众所周知，AMR7，是三级流水线，其细节见图：

图 3.1. AMR7三级流水线

首先，对于ARM7对应的流水线的执行情况，如下面这个图所示：

图 3.2. ARM7三级流水线状态

然后对于三级流水线举例如下：

图 3.3. ARM7三级流水线示例

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.

3.4.1. 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：

图 3.4. ARM7三级流水线 vs ARM9五级流水线

图 3.5. 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：

图 3.6. ARM9的五级流水线示例

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：

00000000 <_start>:
   0:	ea000014 	b	58 
   4:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 20 <_undefined_instruction>
   8:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 24 <_software_interrupt>
   c:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 28 <_prefetch_abort>
  10:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 2c <_data_abort>
  14:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 30 <_not_used>
  18:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 34 <_irq>
  1c:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 38 <_fiq>

00000020 <_undefined_instruction>:
  20:	00000120 	.word	0x00000120
        

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
   1. 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
   1. 译指

      翻译指令e59ff014

   2. 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

3. 指令周期Cycle3
   1. 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。

   2. 译指

      翻译e59ff014

   3. 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

其实，分析到这里，大家就可以看出：

在Cycle3的时候，PC的值，刚好已经在Cycle1和Cycle2，分别加了4，所以Cycle3的时候，PC=PC+8，而同样道理，对于任何一条指令的，都是在Cycle3，指令的Execute执行阶段，如果用到PC的值，那么PC那一时刻，就是PC=PC+8。

所以，此处虽然是五级流水线，但是却不是PC=PC+16，而是PC=PC+8。

进一步地，我们发现，其实PC=PC+N的N，是和指令的执行阶段所处于流水线的深度有关，即此处指令的执行Execute阶段，是五级流水线中的第三个，而这个第三阶段的Execute和指令的第一个阶段的Fetch取指，相差的值是 3 -1 =2，即两个CPU的Cycle，而每个Cycle都会导致PC=+PC+4，所以，指令到了Execute阶段，才会发现，此时PC已经变成PC=PC+8了。

回过头来反观ARM7的三级流水线，也是同样的道理，指令的Execute执行阶段，是处于指令的第三个阶段，同理，在指令计算数据的时候，如果用到PC，就会发现此时PC=PC+8。

同理，假如ARM9的五级流水线，把指令的Execute执行阶段，设计在了第四个阶段，那么就是PC=PC+（第4阶段-1）*4个字节 = PC= PC+12了。

用图来说明PC=PC+8个过程

对于上面的文字的分析过程，可能看起来不是太容易理解，所以，下面这里通过图表来表示具体的流程，就更容易看懂了。其中，下图，是以ARM9的五级流水线的内部架构图为基础，而编辑的出来用于说明为何ARM9的五级流水线，也是PC=PC+8：

图 3.7. ARM9的五级流水线中为何PC=PC+8

对于上图中的，第一个指令在执行的时候，是使用到了PC的值，其实，我们可以看到，

对于指令在执行中，不论是否用到PC的值，PC都会按照既定逻辑，没一个cycle，自动增加4的，套用《非诚勿扰2》中的经典对白，即为：

你（指令执行的时候）用，

或者不用，

PC就在那里，

自动增4

所以，经过两个cycle的增4，就到了指令执行的时候，此时PC已经增加了8了，即使你指令执行的时候，没有用到PC的值，其也还是已经加了8了。而一般来说，大多数的指令，肯定也都是没有用到PC的，但是其实任何指令执行的那一时刻，也已经是PC=PC+8，而多数指令没有用到，所以很多人没有注意到这点罢了。

	PC（execute）=PC（fetch）+ 8
	对于PC=PC+8中的两个PC，其实含义不完全一样.其更准确的表达，应该是这样： PC（execute）=PC（fetch）+ 8 其中： PC（fetch）：当前正在执行的指令，就是之前取该指令时候的PC的值 PC（execute）：当前指令执行的计算中，如果用到PC，则此时PC的值。

	不同阶段的PC值的关系
	对应地，在ARM7的三级流水线（取指，译指，执行）和ARM9的五级流水线（取指，译指，执行，存储，写回）中，可以这么说： PC， 总是指向当前正在被取指的指令的地址， PC-4，总是指向当前正在被译指的指令的地址， PC-8，总是指向当前的那条指令，即我们一般说的，正在被执行的指令的地址。

【总结】

ARM7的三级流水线，PC=PC+8，

ARM9的五级流水线，也是PC=PC+8，

根本的原因是，两者的流水线设计中，指令的Execute执行阶段，都是处于流水线的第三级。

所以使得PC=PC+8。

类似地，可以推导出：

假设，Execute阶段处于流水线中的第E阶段，每条指令是T个字节，那么

PC

= PC + N*T

= PC + (E - 1) * T

此处ARM7和ARM9：

Execute阶段都是第3阶段 ⇒ E=3

每条指令是4个字节 ⇒ T=4

所以：

PC

=PC + N* T

=PC + (3 -1 ) * 4

= PC + 8

	关于直接改变PC的值，会导致流水线清空的解释
	把PC的值直接赋值为0x20。而PC值更改，直接导致流水线的清空，即导致下一个cycle中的，对应的流水线中的其他几个步骤，包括接下来的同一个Cycle中的取指的工作被取消。在PC跳转到0x20的位置之后，流水线重新计算，重新一步步地按照流水线的逻辑，去一点点执行。当然要保证当前指令的执行完成，即执行之后，还有两个cycle，分别做的Memory和Write，会继续执行完成。

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http://www.crifan.com/files/doc/docbook/uboot_starts_analysis/release/htmls/why_arm7_pc_8.html