ARM3級(jí)流水和5級(jí)流水為什么都是PC=PC+8
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arm7采用三級(jí)流水
（1）取指（fetch）
取指級(jí)的任務(wù)是從程序存儲(chǔ)器中讀取指令。
（2）譯碼（decode）
譯碼級(jí)完成對(duì)指令的分析，并為下一個(gè)周期準(zhǔn)備數(shù)據(jù)路徑需要的控制信號(hào)。在這一級(jí)，指令占用譯碼邏輯，不占用數(shù)據(jù)通路。
（3）執(zhí)行（excute）
完成指令要求的操作，并根據(jù)需要將結(jié)果寫回寄存器。指令占用數(shù)據(jù)路徑，寄存器堆被讀取，操作數(shù)在桶行移位器中被移位。運(yùn)算器產(chǎn)生運(yùn)算結(jié)果并回寫到目的寄存器中，運(yùn)算器根據(jù)指令需求和運(yùn)輸結(jié)果更改狀態(tài)寄存器的條件位。
arm9采用五級(jí)流水
（1）取指（fetch）
從存儲(chǔ)器中取出指令，并將其放入指令流水線。
（2）譯碼（decode）
指令被譯碼，從寄存器堆中讀取寄存器操作數(shù)。在寄存器堆中有3個(gè)操作數(shù)讀端口，因此大多數(shù)ARM指令能在1個(gè)周期內(nèi)讀取其操作數(shù)。
（3）執(zhí)行（execute）
將其中一個(gè)操作數(shù)移位，并在ALU中產(chǎn)生結(jié)果。如果指令是Load或Store指令，則在ALU中計(jì)算存儲(chǔ)器的地址。
（4）緩沖/數(shù)據(jù)（buffer/data）
如果需要?jiǎng)t訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，否則ALU只是簡(jiǎn)單地緩沖一個(gè)時(shí)鐘周期，以便是所有的指令具有同樣的流水線流程。
（5）回寫（write-back）寄存器堆
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注意，arm7中執(zhí)行和取指是隔了一級(jí)譯碼級(jí)，那一級(jí)不讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)前PC=原PC+8， 正常
arm9中執(zhí)行和取指之間的譯碼級(jí)不再老實(shí)，譯碼級(jí)已經(jīng)開始從寄存器堆中讀取寄存器操作數(shù)，這樣的話,
讀取到得就是PC+4，不是PC+8，執(zhí)行級(jí)又不會(huì)再讀一次，那將導(dǎo)致執(zhí)行級(jí)的PC還是=PC+4
為了保持向下兼容，在ARM9的5級(jí)流水線上，取指級(jí)增加的PC值被直接送到譯碼級(jí)的寄存器，穿過了兩級(jí)之間的流水線寄存器，這樣譯碼級(jí)得到的PC值就是下一條指令的PC+4，等于當(dāng)前指令的PC+8，
等到了執(zhí)行級(jí)時(shí)，PC寄存器的值=當(dāng)前指令地址+8
當(dāng)使用指令STR或STM對(duì)R15進(jìn)行保存時(shí)，保存的可能是當(dāng)前指令地址加8或當(dāng)前指令地址加12。
到底是哪種方式，取決于芯片的具體設(shè)計(jì)方式。當(dāng)然，在同一個(gè)芯片中，只能采用一種方式。要么保存當(dāng)前指令地址加8，要么保存當(dāng)前指令地址加12。程序開發(fā)人員應(yīng)盡量避免使用STR或STM指令來對(duì)R15進(jìn)行操作。當(dāng)不可避免要使用這種方式時(shí)，可以先通過一小段程序來確定所使用的芯片是使用哪種方式實(shí)現(xiàn)的。例如：
SUB R1,PC, #4 ;R1中存放STR指令地址
STR PC,[R0] ;用STR指令將PC保存到R0指向的地址單元中，
;PC=STR指令地址+偏移量（偏移量為8或者12）。
LDR R0,[R0] ;讀取STR指令地址+偏移量的值
SUB R0,R0,R1 ; STR指令地址+偏移量的值減去STR指令的地址，
;得到偏移量值（8或者12）。
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ARM7采用三級(jí)流水線的馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)，ARM9采用五級(jí)流水線的哈佛結(jié)構(gòu)。
ARM7流水線包括取指（fetch）、譯碼（decode）、執(zhí)行（excute）。ARM7流水線在譯碼階段不讀取操作數(shù)寄存器，因此執(zhí)行階段的PC值和取指階段的PC值關(guān)系為：PC（excute）=PC（fetch）+8。
ARM9流水線包括取指（fetch）、譯碼（decode）、執(zhí)行（excute）、緩沖/數(shù)據(jù)（buffer/data）、回寫（write-back）寄存器堆。ARM9流水線在譯碼階段已經(jīng)開始讀取操作數(shù)寄存器，因此譯碼階段的PC值和取指階段的PC值關(guān)系為：PC（decode）=PC（fetch）+4。因此執(zhí)行階段的PC值和譯碼階段的PC值關(guān)系為：PC（excute）=PC（decode）+4。
為了保證ARM9流水線和ARM7流水線兼容，ARM9流水線將取指階段的PC值跨過取指和譯碼流水線寄存器，直接送往譯碼階段寄存器，這樣仍然保證執(zhí)行階段的PC值和取指階段的PC值關(guān)系為：PC（excute）=PC（fetch）+8。
以下面uboot中的start.S的最開始的匯編代碼為例來進(jìn)行解釋：
00000000 <_start>:
0: ea000014 b 58
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 .word0x00000120
復(fù)制代碼
下面對(duì)每一個(gè)指令周期，CPU做了哪些事情，分別詳細(xì)進(jìn)行闡述：
在看下面具體解釋之前，有一句話要牢記，那就是：
PC不是指向你正在運(yùn)行的指令，而是
PC始終指向你要取的指令的地址。
認(rèn)識(shí)清楚了這個(gè)前提，后面的舉例講解，就容易懂了。
指令周期Cycle1
（1）取指：
PC總是指向?qū)⒁x取的指令的地址（即我們常說的，指向下一條指令的地址），而當(dāng)前PC=4，
所以去取物理地址為4對(duì)對(duì)應(yīng)的指令“ldr pc,[pc,#20]”，其對(duì)應(yīng)二進(jìn)制代碼為e59ff014。
此處取指完之后，自動(dòng)更新PC的值，即PC=PC+4（單個(gè)指令占4字節(jié)，所以加4）=4+4=8
指令周期Cycle2
（1）譯指：翻譯指令e59ff014；
（2）同時(shí)再去取指：
PC總是指向?qū)⒁x取的指令的地址（即我們常說的，指向下一條指令的地址），而當(dāng)前PC=8，
所以去物理地址為8所對(duì)應(yīng)的指令“ldr pc,[pc,#20]”其對(duì)應(yīng)二進(jìn)制代碼為e59ff014。
此處取指完之后，自動(dòng)更新PC的值，即PC=PC+4=8+4=12=0xc
指令周期Cycle3
（1）執(zhí)行（指令）：執(zhí)行“e59ff014”，即“ldr pc,[pc,#20]”所對(duì)表達(dá)的含義，即
PC
= PC + 20
= 12 + 20
= 32
= 0x20
此處，只是計(jì)算出待會(huì)要賦值給PC的值是0x20，這個(gè)0x20還只是放在執(zhí)行單元中內(nèi)部的緩沖中。
（2）譯指：翻譯e59ff014。
（3）取指：
此步驟由于是和上面（1）中的執(zhí)行同步做的，所以，未受到影響，繼續(xù)取指，而取指的那一時(shí)刻，PC為上一Cycle
更新后的值，即PC=0xc，所以是去取物理地址為0xc所對(duì)應(yīng)的指令”ldr pc,[pc,#20]”，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制為e59ff014。
評(píng)論