ARM编程模型-指令流水线-编程知识

ARM编程模型-指令流水线

流水线技术通过多个功能部件并行工作来缩短程序执行时间，提高处理器核的效率和吞吐率，从而成为微处理器设计中最为重要的技术之一。

1. 3级流水线

到ARM7为止的ARM处理器使用简单的3级流水线，它包括下列流水线级。
（1）取指令从寄存器装载一条指令。
（2）译码（decode）识别被执行的指令，并为下一个周期准备数据通路的控制信号。在这一级，指令占有译码逻辑，不占用数据通路。
（3）执行处理指令并将结果写回寄存器。
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当处理器执行简单的数据处理指令时，流水线使得平均每个时钟周期能完成1条指令。但一条指令需要3个时钟周期来完成，因此有3个时钟周期的延时，但吞吐率是每个周期一条指令。

对于3级流水线，PC寄存器里的值并不是正在执行的指令的地址，而是预取指令的地址，这个知识点很重要，后面我们会详细的举例来证明。

处理器要满足高性能的要求，为了满足这个要求，需要重新考虑处理器的组织结构。提高性能的方法主要有两种方法：

1.提高时钟频率。时钟频率的提高，必然引起指令执行周期的缩短，所以要求简化流水线每一级的逻辑，流水线的级数都要增加。
2.减少每条指令的平均指令周期数CPI。这就要求重新考虑3级流水线ARM中多余1个流水线周期的实现方法，以便使其占有较少的周期，或者减少因指令相关造成的流水线停顿，也可以将两者结合起来。

较高性能的ARM核使用了5级流水线，而且具有分开的指令和数据存储器。在Cortex-A8中有一条13级的流水线，但是ARM公司没有对其中的技术公开任何相关的细节。

从经典ARM系列到现在Cortex系列，ARM处理器的结构在向复杂的阶段发展，但没改变的是CPU的取址指令和地址关系，「不管是几级流水线，都可以按照最初的3级流水线的操作特性来判断其当前的PC位置」。

2. 流水线举例

为方便理解，下面我们以3级流水线为例，
1）最佳流水线
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这是一个理想的实例，所有的指令都在寄存器中执行，且处理器完全不必离开芯片本身。每个周期，都有一条指令被执行，流水线的容量得到了充分的发挥。指令周期数 (CPI) = 1。

2）LDR流水线
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该例中，用6周期执行了4条指令指令周期数 (CPI) = 1.5

与最佳流水线不同，装载(LDR) 操作将数据移进片内导致了指令/数据总线被占用，因此随后紧跟了内部的写周期（ writeback）以完成将数据写回寄存器。

1.数据总线在周期1, 2, 3 被使用，周期6是取指，周期4用于数据装载，而周期5是一个内部周期用来完成载入的数据写回到寄存器中。
2.周期3为执行周期：产生地址
3.周器4为数据周期：从存储器中取数据（数据只有在周期4的末尾出现在内核中）
4.周期5写回周期：通过数据通道中的B总线和ALU将数据写回到寄存器bank 中
5.周期6的执行被推迟了，直到周期5写回完成（使用ALU ）。同样内部周期是不需要等待状体的，但读写存储器时可能需要。

3）分支流水线
BL指令用于实现指令流的跳转，并存储返回地址到寄存器R14（LR）中。
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1.分支指令在其第一周期计算分支的目的地，同时在现行PC处完成一次指令预取，流水线被阻断。这种预取在任何情况下都要做的，因为当判决地址产生时已来不及停止预取。
2.第二个周期在分支的目标地址完成取指，而返回地址则存于R14如果link位已设置。
3.第三周期完成目标地址+4的取指，重新填满流水线，并且如果跳转是带链接的还要修改R14（减去4）以便简单地返回。
4.分支需要三个时钟周期来执行BL，随后会涉及调整阶段。