ARM3级流水和5级流水为什么都是PC=PC+8

首先介绍前置知识
arm7采用三级流水
（1）取指（fetch）
取指级的任务是从程序存储器中读取指令。
（2）译码（decode）
译码级完成对指令的分析，并为下一个周期准备数据路径需要的控制信号。在这一级，指令占用译码逻辑，不占用数据通路。
（3）执行（excute）
完成指令要求的操作，并根据需要将结果写回寄存器。指令占用数据路径，寄存器堆被读取，操作数在桶行移位器中被移位。运算器产生运算结果并回写到目的寄存器中，运算器根据指令需求和运输结果更改状态寄存器的条件位。

arm9采用五级流水
（1）取指（fetch）

从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。

（2）译码（decode）

指令被译码，从寄存器堆中读取寄存器操作数。在寄存器堆中有3个操作数读端口，因此大多数ARM指令能在1个周期内读取其操作数。

（3）执行（execute）

将其中一个操作数移位，并在ALU中产生结果。如果指令是Load或Store指令，则在ALU中计算存储器的地址。

（4）缓冲/数据（buffer/data）

如果需要则访问数据存储器，否则ALU只是简单地缓冲一个时钟周期，以便是所有的指令具有同样的流水线流程。

（5）回写（write-back）寄存器堆

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注意，arm7中执行和取指是隔了一级译码级，那一级不读取数据，当前PC=原PC+8， 正常
arm9中执行和取指之间的译码级不再老实，译码级已经开始从寄存器堆中读取寄存器操作数，这样的话,
读取到得就是PC+4，不是PC+8，执行级又不会再读一次，那将导致执行级的PC还是=PC+4
为了保持向下兼容，在ARM9的5级流水线上，取指级增加的PC值被直接送到译码级的寄存器，穿过了两级之间的流水线寄存器，这样译码级得到的PC值就是下一条指令的PC+4，等于当前指令的PC+8，
等到了执行级时，PC寄存器的值=当前指令地址+8

当使用指令STR或STM对R15进行保存时，保存的可能是当前指令地址加8或当前指令地址加12。
到底是哪种方式，取决于芯片的具体设计方式。当然，在同一个芯片中，只能采用一种方式。要么保存当前指令地址加8，要么保存当前指令地址加12。程序开发人员应尽量避免使用STR或STM指令来对R15进行操作。当不可避免要使用这种方式时，可以先通过一小段程序来确定所使用的芯片是使用哪种方式实现的。例如：
SUB R1,PC, #4    ;R1中存放STR指令地址
STR PC,[R0]      ;用STR指令将PC保存到R0指向的地址单元中，
                            ;PC=STR指令地址+偏移量（偏移量为8或者12）。
LDR R0,[R0]    ;读取STR指令地址+偏移量的值
SUB R0,R0,R1    ; STR指令地址+偏移量的值减去STR指令的地址，
                            ;得到偏移量值（8或者12）。

 

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ARM7采用三级流水线的冯·诺伊曼结构，ARM9采用五级流水线的哈佛结构。

ARM7流水线包括取指（fetch）、译码（decode）、执行（excute）。ARM7流水线在译码阶段不读取操作数寄存器，因此执行阶段的PC值和取指阶段的PC值关系为：PC（excute）=PC（fetch）+8。

 

ARM9流水线包括取指（fetch）、译码（decode）、执行（excute）、缓冲/数据（buffer/data）、回写（write-back）寄存器堆。ARM9流水线在译码阶段已经开始读取操作数寄存器，因此译码阶段的PC值和取指阶段的PC值关系为：PC（decode）=PC（fetch）+4。因此执行阶段的PC值和译码阶段的PC值关系为：PC（excute）=PC（decode）+4。

 

为了保证ARM9流水线和ARM7流水线兼容，ARM9流水线将取指阶段的PC值跨过取指和译码流水线寄存器，直接送往译码阶段寄存器，这样仍然保证执行阶段的PC值和取指阶段的PC值关系为：PC（excute）=PC（fetch）+8。

   
 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 <reset>
   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
复制代码

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。

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

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

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。