ARM體系結(jié)構(gòu)之：流水線

在ARM9TDMI中使用了典型的5級流水線。ARM9TDMI的組織結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。

5級流水線包括下面的流水線級：

· 取指（fetch）：從存儲器中取出指令，并將其放入指令流水線。

· 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個操作數(shù)讀端口，因此，大多數(shù)ARM指令能在1個周期內(nèi)讀取其操作數(shù)。

· 執(zhí)行（execute）：將其中一個操作數(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中計算存儲器的地址。

· 緩沖/數(shù)據(jù)（buffer/data）：如果需要則訪問數(shù)據(jù)存儲器，否則ALU只是簡單地緩沖一個時鐘周期。

· 回寫（write-back）：將指令的結(jié)果回寫到寄存器堆，包括任何從寄存器讀出的數(shù)據(jù)。

圖2.8顯示了5級流水線指令的執(zhí)行過程。

圖2.7 5級流水線的組織結(jié)構(gòu)

圖2.8 5級流水線

在程序執(zhí)行過程中，PC值是基于3級流水線操作特性的。5級流水線中提前1級來讀取指令操作數(shù)，得到的值是不同的（PC+4而不是PC+8）。這產(chǎn)生的代碼不兼容是不容許的。但5級流水線ARM完全仿真3級流水線的行為。在取指級增加的PC值被直接送到譯碼級的寄存器，穿過兩極之間的流水線寄存器。下一條指令的PC+4等于當(dāng)前指令的PC+8，因此，未使用額外的硬件便得到了正確的r15。

3．6級流水線ARM組織

在ARM10中，將流水線的級數(shù)增加到6級，使系統(tǒng)的平均處理能力達到了1.3Dhrystone MISP/MHz。圖2.9顯示了6級流水線上指令的執(zhí)行過程。

圖2.9 6級流水線

2.2.3 影響流水線性能的因素

1．互鎖

在典型的程序處理過程中，經(jīng)常會遇到這樣的情形，即一條指令的結(jié)果被用做下一條指令的操作數(shù)。如例2.4所示。

【例2.4】

有如下指令序列：

LDR r0,[r0,#0]

ADD r0,r0,r1 ;在5級流水線上產(chǎn)生互鎖

從例2.4中可以看出，流水線的操作產(chǎn)生中斷，因為第一條指令的結(jié)果在第二條指令取數(shù)時還沒有產(chǎn)生。第二條指令必須停止，直到結(jié)果產(chǎn)生為止。

2．跳轉(zhuǎn)指令

跳轉(zhuǎn)指令也會破壞流水線的行為，因為后續(xù)指令的取指步驟受到跳轉(zhuǎn)目標(biāo)計算的影響，因而必須推遲。但是，當(dāng)跳轉(zhuǎn)指令被譯碼時，在它被確認(rèn)是跳轉(zhuǎn)指令之前，后續(xù)的取指操作已經(jīng)發(fā)生。這樣一來，已經(jīng)被預(yù)取進入流水線的指令不得不被丟棄。如果跳轉(zhuǎn)目標(biāo)的計算是在ALU階段完成的，那么，在得到跳轉(zhuǎn)目標(biāo)之前已經(jīng)有兩條指令按原有指令流讀取。

解決的辦法是，如果有可能最好早一些計算轉(zhuǎn)移目標(biāo)，當(dāng)然這需要硬件支持；如果轉(zhuǎn)移指令具有固定格式，那么可以在解碼階段預(yù)測跳轉(zhuǎn)目標(biāo)，從而將跳轉(zhuǎn)的執(zhí)行時間減少到單個周期。但要注意，由于條件跳轉(zhuǎn)與前一條指令的條件碼結(jié)果有關(guān)，在這個流水線中，還會有條件轉(zhuǎn)移的危險。

盡管有些技術(shù)可以減少這些流水線問題的影響，但是，不能完全消除這些困難。流水線級數(shù)越多，問題就越嚴(yán)重。對于相對簡單的處理器，使用3～5級流水線效果最好。

顯然，只有當(dāng)所有指令都依照相似的步驟執(zhí)行時，流水線的效率達到最高。如果處理器的指令非常復(fù)雜，每一條指令的行為都與下一條指令不同，那么就很難用流水線實現(xiàn)。