ARM的3级流水线介绍

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ARM的3级流水线介绍

到ARM7为止，ARM处理器使用的简单3级流水线分别为：

取指级。取指级完成程序存储器中指令的读取，并放入指令流水线中。

译码级。对指令进行译码，为下一个周期准备数据路径需要的控制信号。这一级指令“占有”译码逻辑，而不“占有”数据路径。

执行级。指令“占有”数据路径，寄存器堆被读取，操作数在桶式移位器中被移位，ALU产生相应的运算结果并回到目的寄存器，ALU结果根据指令需要更改状态寄存器的条件位。

在任意时刻，可能有3种不同的指令占用着3级中的一级，因此流水线正常的条件是在任意时刻，每一级中的硬件必须能够独立操作，而不能2级或多级占用同义硬件资源。

当处理器执行简单的数据处理指令时，流水线使得每个时钟周期能完成一条指令。一条指令用3个周期来完成，因此有3个周期的执行时间，但吞吐率是每个周期一条指令。

当执行多周期指令时，指令的执行流程不规则，图中表示了一组单周期指令ADD，而在第一个ADD指令的后面出现一个数据存储指令STR。访问主存储器的周期用浅阴影表示，因此看到在每一个周期中都使用了存储器。同样，在每一个周期中都使用了数据路径，这涉及带所有执行周期、地址计算和数据传送。译码逻辑总是产生数据路径在下一个周期使用的控制信号，因此除译码周期外，在STR地址计算中也产生数据传送所需的控制信号。

这样，在这个指令序列中，处理器的所有部件在每个时钟周期中都要执行相应的操作。对于ARM7，不可能同时占用冯诺曼存储器机构的端口，因此确定了不可能同时访问数据存储器和程序存储器。存储器时一个限制因素，造成了ARM流水线中断。

ARM3级流水线下PC的行为

在3级流水线的执行过程中，当通过R15寄存器直接访问PC时，必须考虑此时流水线执行过程的真实情况。

流水线处理器的执行使得程序计数器PC必须在当前指令之前计数。对于图所示的3级ARM，可以看到，在以当前PC+4取得指令（在图中取得指令2时，当前的PC+4送到PC，当前的PC相对于第一条PC为PC+4，即PC+8）PC值都要增加，因此在第一条指令执行周期的开始即execute1时，得到PC+8，第二条指令执行周期的开始即execute2时（也就是第三条指令3取指时），得到PC+12.

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