ARM架構與體系學習（二）——3級流水線

看到彙編中不少關於程序返回與中斷返回時處理地址都很特別，仔細想一想原來是流水線做用的效果。因此，決定總結學習下ARM流水線。

ARM7處理器採用3級流水線來增長處理器指令流的速度，能提供0.9MIPS/MHz的指令處理速度。

PS:

MIPS（Million Instruction Per Second）表示每秒多少百萬條指令。好比0.9MIPS，表示每秒九十萬條指令。

MIPS/MHz表示CPU在每MHz的運行速度下能夠執行多少個MIPS，如0.9MIPS/MHz則表示若是CPU運行在1MHz的頻率下，每秒可執行90萬條指令。

若是CPU在20MHz的頻率下，每秒可運行1800萬條指令。MIPS/MHz能夠很好的反映CPU的速度。

3級流水線如上圖所示（PC爲程序計數器），流水線使用3個階段，所以指令分3個階段執行。

⑴ 取指從存儲器裝載一條指令

⑵ 譯碼識別將要被執行的指令

⑶ 執行處理指令並將結果寫會寄存器

之前學過的51單片機，由於比較簡單，因此它的處理器只能完成一條指令的讀取和執行後，纔會執行下一條指令。這樣，PC始終指向的正在「執行」的指令。

而對於ARM7來講由於是3級流水線，因此把指令的處理分爲了上面所述的3個階段。

因此處理時實際是這樣的：ARM正在執行第1條指令的同時對第2條指令進行譯碼，並將第3條指令從存儲器中取出。

因此，ARM7流水線只有在取第4條指令時，第1條指令纔算完成執行。

下圖生動形象的說明了3級流水線的處理機制

下面一句話很關鍵：不管處理器處於何種狀態，程序計數器R15(PC)老是指向「正在取指」的指令，而不是指向「正在執行」的指令或者正在「譯碼」的指令。

人們通常會習慣性的將正在執行的指令做爲參考點，即當前第1條指令。

因此，PC老是指向第3條指令，

或者說PC老是指向當前正在執行的指令地址再加2條指令的地址。

處理器處於ARM狀態時，每條指令爲4個字節，因此PC值爲正在執行的指令地址加8字節，便是：

PC值 = 當前程序執行位置 + 8字節

處理器處於Thumb狀態時，每條指令爲2字節，因此PC值爲正在執行的指令地址加4字節，便是：

PC值 = 當前程序執行位置 + 4字節

下面一個例子就很好的說明了這個問題。

0x4000 ADDPC,PC,#4 ;正在被執行的指令，將地址值PC+4寫入PC
0x4004 ...;正在被譯碼的指令
0x4008 ...;正在被取指的指令，PC=0x4008
0x400C ...;PC+4=0x400C

另外補充說明就是根據以上描述，流水線只有被指令填滿時才能發揮最大效能，即每時鐘週期完成一條指令的執行（僅單週期指令）。

若是程序發生跳轉，流水線會被清空，這將須要幾個時鐘才能使流水線被再次填滿。所以，儘可能地少使用跳轉指令能夠提升程序的執行效率。

以上就是對ARM73級流水線的一個總的認識，參考來自學習ARM時的教材——《ARM嵌入式系統基礎教程（第二版）》。