带你了解嵌入式处理器的流水线技术

​01.为什么要引入流水线技术

嵌入式处理器执行指令时，一般步骤为：首先从存储器中读取指令，然后对该指令进行译码，识别出被执行的指令属于哪一种指令，然后再从指令中提取到操作数并进行组合，接着根据需要将数据存储到存储器中，最后将结果写到寄存器中。但是，在实际运行过程中，并非所有的指令都需要执行所有的步骤，并且这些步骤所需要用到的硬件功能往往也是不同的。假如某条指令结束之前，后一条指令还未开始，那么在处理指令的每一个步骤都只需使用少部分的硬件，因而硬件资源的使用率并不高。

那么如何改善硬件资源的使用率呢？可以使用流水线技术，即在当前的指令结束之前，就开始执行后一条指令。RISC处理器执行指令时就采用了流水线技术，在对当前指令进行译码的同时，读取下一条指令，从而提高了指令执行的效率。和汽车制造的流水生产线技术一样，在每一个阶段都只进行特定的处理器任务。

02.处理器中流水线技术的应用

到ARM7为止的ARM处理器都使用了三级流水线技术：

1）取指：从寄存器中加载一条指令；

2）译码：识别指令，并准备下一个周期需要用到的数据通路的控制信号。

3）执行：处理指令，将所得到的结果写到寄存器中。

在处理器执行简单的数据处理指令的时候，原本完成一条指令平均需要3个时钟周期，那么使用流水线技术，就能将一条指令的平均完成时间缩短至1个时钟周期。因而三级流水线技术对于到ARM7为止的ARM处理器而言性价比都是比较高的，能满足其高性能的要求。

如果处理器要获得更高的性能，有两种方法：一是提高时钟频率，但这会缩短指令的执行周期，就需要简化每一级中流水线的逻辑，增加流水线的级数；二是减少每一条指令的平均指令周期。

三级流水线的ARM核在每一个时钟周期都会访问存储器：读取指令或者进行数据传输，只是利用不使用存储器的周期进行性能改善，这对于处理器而言无法获得更高的性能。而减少指令的平均指令周期数，就需要在每个时钟周期内让存储器给出多于一个的数据，即让一个存储器给出32位以上的数据或者为指令和数据各设一个存储器。

因而，较高性能的ARM核采用了五级流水线，以提高时钟频率，并且为指令和数据分别设置了一个存储器，以减少每条指令的平均周期数。ARM9TDMI使用的就是典型的五级流水线技术：

1）取指：从存储器中加载一条指令并放入指令流水线；

2）译码：识别所读取的指令，并从寄存器堆中提取操作数；

3）执行：将其中一个操作数移位，并在存储器地址中产生结果，其中对于load、store指令则是计算存储器地址；

4）缓冲/数据：如果不需要数据，就只是缓冲一个时钟周期，如果需要数据就访问数据存储器获取数据；

5）回写：将处理指令所得到的结果写到寄存器堆中。

在Cortex-A8中ARM核采用了十三级流水线以提高性能。

03.流水线技术不适用的情况

在处理器处理某些指令或者当指令过于复杂时，流水线的使用效率就会降低，甚至难以使用流水线实现。

例如当前指令的结果在后一条指令取数的时候还没有产生，并且后一条指令的操作数是当前指令的结果，那么后一条指令必须中断直到等到前一条指令的结果产生。

此外，如果出现跳转指令，并且跳转目标的计算结果会影响后一条指令的取指，那么就必须中断，但是，在进行译码之前，无法确定当前指令属于跳转指令，而此时已经按照流水线已经完成了后一条指令的取指，那么只能放弃该指令的取指结果，重新进行取指。如果跳转指令发生在执行指令的阶段，那么需要放弃已经取指的后两条指令，这无疑会降低流水线的使用效率。

因而，只有按照相似步骤执行的指令，才能发挥流水线技术的使用效率，达到预期提高处理器性能的目的。

04.SkyEye支持的处理器核心

SkyEye，中文全称天目全数字实时仿真软件，是基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，支持用户通过拖拽的方式对硬件进行行为级别的仿真和建模。

SkyEye目前支持主流的嵌入式硬件平台，可以运行主流的操作系统，此外还能适配国内自主研发的操作系统天脉。通过利用基于LLVM的动态二进制翻译技术，使虚拟处理器在典型的桌面计算机上运行速度可以达到2000MIPS以上。

▲图 4-1 利用虚拟原型来降低产品的周期和成本

SkyEye支持包括ARM在内的多种指令集架构的不同处理器核心，可以在主流的嵌入式硬件平台，运行主流的操作系统，还能适配国内自主研发的操作系统天脉。

五、参考资料

[1].《ARM处理器开发详解》