关于ARM指令流水线知识

关于ARM指令流水线知识

（周方辉）

2012/10/22

编改记录 编写日期 2012-10-22 创建 内容概要 1

目 录

参考文献 ................................................................................................................................... 2 1.1 内部参考文献 ........................................................................................................... 2 1.2 外部参考文献 ........................................................................................................... 2 名词解释 ................................................................................................................................... 2 指令执行三步骤 ....................................................................................................................... 2 指令流水线（ARM指令） ...................................................................................................... 3 4.1 三级指令流水线 ....................................................................................................... 3 4.2 五级指令流水线 ....................................................................................................... 5 4.3 六级指令流水线 ....................................................................................................... 6 4.4 其它级指令流水线 ................................................................................................... 6

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1 参考文献

1.1 内部参考文献

内部参考文献指的是周方辉自生的百度博文中的文件。

无内部参考文献。

1.2 外部参考文献

外部参考文献指的是相对于上述内部参考文献以外的文件。

无外部参考文献

2 名词解释

CPI： 指令周期数，一段时间内走过的指令时钟数除以被执行的指令条数，CPI>=1。 F： Fetch的缩写，取指令的意思，用在分析指令流水线中。 D： Decode，解指令码，用在分析指令流水线中。 E： Execute，执行指令，用在分析指令流水线中。 M：Memory，内存操作。 W： Writeback回写。 S： Stall，拖延clock。 L： Linkret，连接返回。 A： Adjust，调整流水线。

DI：Decode IRQ解析中断指令。 EI：Execute IRQ执行中断指令。 I：Interlock，内部锁状态。

3 指令执行三步骤

一般计算机指令码与数据码没有区别，存在内存中，都属于二进制数字信息。指令码和数据码的区别是一般用PC指针从内存中读取的数据为指令码，否则就当数据码处理。

到目前为止，一般计算机执行指令是用CPU部件来执行的，通常分成： 1、 获取指令，通过PC指针，从内存中获取指令码；

2、 解析指令，使用CPU内部的指令解码器对指令码进行解析，从而得知指令功能。

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3、 执行指令，按照解码器得知的功能，CPU调用相应部件来执行该条指令。

三个步骤完成，我们可以抽象理解成，每条指令都通过：取指令模块——>解析指令模块——>执行指令模块，这三个模块。如下图所示：

这三个步骤的协调工作是依靠指令时钟来推动完成的，，指令时钟并不等于CPU的时钟，一个指令时钟可能有几个CPU时钟组成，这看具体的CPU而定。

每个步骤至少需要一个指令时钟来完成。如执行指令这模块，可能要完成内存访问，即数据向内存回写等，就需要多个指令时钟了。

如何让最少的指令时钟执行更多的指令，成为CPU对指令执行速度的标志之一，我们使用CPI值来指示这一特征。

CPI是指在一定的时间范围内，指令时钟除以被执行了的指令条数。CPI值总是大于1，越接近1，表明CPU执行指令越块。

为此，诞生了指令流水线感念。

4 指令流水线（ARM指令）

我们为了提升CPU的指令执行速度，就希望取值、解码和执行3个模块同时都处于工作状态，例如，当我们第一条指令在执行时，第二条指令处于解码阶段，二第三条指令已被读到CPU中；当我们执行第二条指令时，第三条指令处于解码阶段，而第四条指令已被读到CPU中。这样对指令的执行就处于流水线操作状态。这就是指令流水线的概念。

4.1 三级指令流水线

ARM公司的ARM7核使用三级流水线。

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1、 Fetch：只负责通过PC从内存中读取指令码数据。

2、 Decode：要完成Thumb和ARM指令的识别、功能和参与寄存器的设别。

3、 Execute：调用寄存器、ALU（及Shift）运算单元，和内存及寄存器的回写功能来完

成操作。

三级指令执行流水线，正好将三个模块充分使用。我们举例说明其工作机制： 假设我们有下面这几条指令被执行（仅仅给出指令功能码）：

指令编号 1 2 3 指令 ADD SUB ORR 指令编号 4 5 6 指令 AND ORR MOV 指令编号 7 8 9 指令 ROR EOR LSL

从上述图表看出，从第5个指令时钟开始，CPU指令执行的各个模块都处于工作状态，每一个指令时钟都有一条指令被执行完成。

从第1个指令时钟开始到第10个指令时钟，一共11个指令时钟，这期间共有6条指令被执行，CPI值达1.8（11/6=1.8333）；假设，我们从第5个指令时钟开始算，到第10个指令时钟，共花费6个指令时钟，一共执行6条指令，这时，我们的CPI=1（6/6=1），这是理想状态下的CPU最快执行指标。

上述三级流水线仅仅理想状态下，如果我们有内存访问指令如LDR Rd，[Rn]，CPI就不能达到1了，因为内存访问需要消耗指令时钟。例如，我们将上述的第3条指令ORR改成LDR类（或者STR类）指令，其指令流水线如下：

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