ARM流水线

 前言

 

  写这篇文章主要是做个笔记，写点心得。但写完这篇文章也不知道取个什么名字，索性就叫ARM流水线吧， 其内容主要是讲ARM流水线中，并于发生分支和跳转、异常等这类冒险时，流水线的一个执行流程和实时的PC值。

 

ARM 流水线

流水线是 RISC 执行指令时采用的一种机制，关于它的原理和概念就不多讲了。

在这里，我们称讨论以下几个内容：

一、流水线深度（级数）增加所带来的影响。

ARM7 采用 3 级流水线， ARM9 采用 5 线流水线， ARM10 采用 6 级流水线， 但是随着流水线深度的增加，指令的吞吐量提高了，每一段的工作量被消减了，使得处理器可以工作在更高的频率，同时也改善了性能，但系统延时 (latency) 也增加了，这是因为在内核执行一条指令前，需要更多的周期来填充流水线。并且，时钟频率的增加，指令执行周期也相应缩减了，这就要求减小指令执行周期的时间，也就对硬件设计带来了更大的要求。所以，流水线深度并不是越深越好。

二、流水线执行特点

         ARM 流水线的一条指令只有在完全通过 ” 执行 ” 阶段才被处理 。这句话很重要，也就是说，当处理器开始取第四条指令时，第一条指令才完成执行。我们如果不考虑流水线的设计，只看它的原理，其实是很简单的，他的复杂之处在于发生流水线冒险时，如何保证其工作得仍然很好。

         流水线冒险一般分为控制冒险和数据冒险，而数据冒险一般可分为阻塞 ( 即下一条指令依赖于前一条指令的结果 ) 、分支和跳转、异常（异常和中断）。由于 ARM 是硬件 flush 流水设计的，当发生冒险时，会暂停取指，然后清流水， (MIPS 解决冒险通常依赖于编译器，比如插入一条 NOP 指令及重新排列指令序列 ) 。

         这里我们再结合 PC 的值的情况来分析一下流水线的工作原理。 PC ：程序计数器，之所以重提这个概念，是因为我们需要理解 PC 的本来用意。在所有的流水线体系结构中， PC 总是指向当前正在执行的指令的地址加 8 字节的地址，换句话说， PC 总是指向当前正在执行的指令再加 2 条指令的地址。再换句通俗点的话来说， PC 就是当程序处于指令执行阶段的时候的那个值。在流水线的体系结构中，理解这一点是非常重要的。原因我们接着分析。

         假设我们的程序运行在最理想的情况下，不会发生任何的流水线冒险，程序顺序执行直到终止。此时，关于上面的这个概念（指 PC 指向执行阶段的指令的地址加 8 字节的地址）也就没有实际性的意义。但是，如果我们考虑进流水线冒险的情况，比如，有这样一组指令序列 S1 、 S2 、 S3 、 S4 、 S5 分别对应从第一条到第五条指令，如果在 S1 过程中，发生了一个 IRQ 的中断，那么，程序就打破了原先顺序执行的状态，需要跳转到中断向量表去处理相应的中断服务程序，然而，当处理器处理完中断之后，又不得不再回来原来发生中断的地方继续往下执行 S2 及以后的指令，为了确保这个过程能正常工作，我们就需要一个寄存器来保存中断返回时的地址正好是 S2 的地址，以便于处理器能正确的取出 S2 的指令。（在 ARM 中，通常用 lr （ r14 ：程序链接寄存器）来保存程序的返回值，并且保存的动作由硬件来自动完成。）

         那么，我们现在的问题是，如何来确定 lr 的值是多少呢？这里，我们就要借助于 PC 的值了，如果我们知道当发生 IRQ 时， PC 的值是多少，那我们就可推算出 lr 的值。虽然我们上面给出了， PC 的值是 S1+8 的地址。尽管在 ARM 中， PC 的值和 LR 的值已经同硬件完成了，但我们也还是有必要知道它为什么就是 S1+8 的地址？

         当初在这个问题上，我也一下没有绕过来，为什么要规定 PC 是正在执行的指令的地址加 8 呢，试想一下，如果是一个五级流水的情况，如果 IRQ 发生在执行阶段之前，或者发生在访存阶段，那些时 PC 的值就应该是 PC+4 或者 PC+12 了啊，因为它此时处于 S2 取指或者 S4 取指阶段啊，呵呵，不知道有没有人刚开始的时候也有过类似的疑问啊？

         为了解释上面的这个问题，我们需要澄清一些原理的东西，也说明当初看书的时候并不仔细，理解得也不深，有点走马观花的味道，大忌啊！

         我们接着看 S1 发生中断是的情形，我们假设当处理器从 S1 取指阶段时就发生了 IRQ 中断，但此时却不会去响应 IRQ 中断，因为此时还不能确定中断入口向量表的地址，准确的说，此时 PC 的值还不是中断入口的地址，要确定中断入口的地址，必须等到执行阶段，处理器检测到有一个中断，并通过 ALU 计算而得到中断的入口地址，然后再写入 PC 中，实现跳转到中断入口处，也就是在写入这个值到 PC 并进行跳转之前，硬件自动保存了原来的那个 PC 值到 lr 中。因为中断的检测和中断入口的地址是在执行阶段时确定的，所以此时 PC 的值是 S1+8 的地址，或者是 S3 的地址。

         另外还要注意的就是，如果 S1 不是像 ADD R0 R1,R2 这样的指令而是访存指令的时候，处理器必须等到执行完访存之后，才会进入中断，而此时，流水线暂停取指并清空 S1 之后的所有位于流水线中的指令序列，这里是 S2 、 S3 。

         其它的像分支和跳转等冒险情况，也正是因为分支和跳转的地址是在执行阶段时确定的，所以 PC 的值也为处于执行阶段的指令地址加 8 的地址。这本是一个很简单的问题，但由于看书和理解不仔细，所以引发上面这么多的文字，

         再简要说下分支或者异常时返回时的地址： lr ， lr=S1+8 ，我想应该能明白了吧，也就是发生分支或者异常时的 PC 的值。

         像分支和跳转这类指令，分支返回之后，从 S2 开始执行，所以在进入分支后的代码中，有些需要显式的保存分支的返回值   SUB lr,lr,#4, 然后通过   MOV pc,lr 实现返回，有些可以通过像 BL 这样的指令来自动执行这两个过程。

         像异常这指令，返回地址又各有不同，下面给一个异常返回地址的表：

 

 

 

其原由，根据不同异常的具体情况分析一下就能明白，这里就不多说了。