ARM架构与体系学习（二）——3级流水线

看到汇编中很多关于程序返回与中断返回时处理地址都很特别，仔细想想原来是流水线作用的效果。所以，决定总结学习下ARM流水线。

ARM7处理器采用3级流水线来增加处理器指令流的速度，能提供0.9MIPS/MHz的指令处理速度。

PS:

MIPS（Million Instruction Per Second）表示每秒多少百万条指令。比如0.9MIPS，表示每秒九十万条指令。

MIPS/MHz表示CPU在每MHz的运行速度下可以执行多少个MIPS，如0.9MIPS/MHz则表示如果CPU运行在1MHz的频率下，每秒可执行90万条指令。

如果CPU在20MHz的频率下，每秒可运行1800万条指令。MIPS/MHz可以很好的反映CPU的速度。

3级流水线如上图所示（PC为程序计数器），流水线使用3个阶段，因此指令分3个阶段执行。

⑴ 取指从存储器装载一条指令

⑵ 译码识别将要被执行的指令

⑶ 执行处理指令并将结果写会寄存器

以前学过的51单片机，因为比较简单，所以它的处理器只能完成一条指令的读取和执行后，才会执行下一条指令。这样，PC始终指向的正在“执行”的指令。

而对于ARM7来说因为是3级流水线，所以把指令的处理分为了上面所述的3个阶段。

所以处理时实际是这样的：ARM正在执行第1条指令的同时对第2条指令进行译码，并将第3条指令从存储器中取出。

所以，ARM7流水线只有在取第4条指令时，第1条指令才算完成执行。

下图生动形象的说明了3级流水线的处理机制

下面一句话很关键：无论处理器处于何种状态，程序计数器R15(PC)总是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在执行”的指令或者正在“译码”的指令。

人们一般会习惯性的将正在执行的指令作为参考点，即当前第1条指令。

所以，PC总是指向第3条指令，

或者说PC总是指向当前正在执行的指令地址再加2条指令的地址。

处理器处于ARM状态时，每条指令为4个字节，所以PC值为正在执行的指令地址加8字节，即是：

PC值 = 当前程序执行位置 + 8字节

处理器处于Thumb状态时，每条指令为2字节，所以PC值为正在执行的指令地址加4字节，即是：

PC值 = 当前程序执行位置 + 4字节

下面一个例子就很好的说明了这个问题。

0x4000 ADDPC,PC,#4 ;正在被执行的指令，将地址值PC+4写入PC
0x4004 ...;正在被译码的指令
0x4008 ...;正在被取指的指令，PC=0x4008
0x400C ...;PC+4=0x400C

另外补充说明就是根据以上描述，流水线只有被指令填满时才能发挥最大效能，即每时钟周期完成一条指令的执行（仅单周期指令）。

如果程序发生跳转，流水线会被清空，这将需要几个时钟才能使流水线被再次填满。因此，尽量地少使用跳转指令可以提高程序的执行效率。

以上就是对ARM73级流水线的一个总的认识，参考来自学习ARM时的教材——《ARM嵌入式系统基础教程（第二版）》。