ARM匯編編程基礎之二-流水線對PC值的影響
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從上圖中我們看到CPU內部有3個主要組成部分：指令寄存器，指令譯碼器，指令執行單元（包括ALU和通用寄存器組）。
CPU在執行1條指令的時候，主要有3個步驟：取指（將指令從內存或指令cache中取入指令寄存器）；譯碼（指令譯碼器對指令寄存器中的指令進行譯碼操作，從而辨識出該指令是要執行add，或是sub，或是其它操作，從而產生各種時序控制信號）；執行（指令執行單元根據譯碼的結果進行運算并保存結果）
現在我們假設一下：CPU串行執行程序（即：執行完1條指令后，再執行下一條指令）；指令執行的3個步驟中每個步驟都耗時1秒；整個程序共10條指令。那么，這個程序總的執行時間是多少呢？顯然，是30秒。但這個結果令我們非常不滿意，因為它太慢了。有沒有辦法讓它座上京津高鐵提速3倍呢？當然有！仔細觀察上圖，我們發現：取指階段占用的CPU硬件是指令通路和指令寄存器；譯碼階段占用的CPU硬件是指令譯碼器；執行階段占用的CPU硬件是指令執行單元和數據通路。三者占用的CPU硬件完全不同，這樣就使得如下的操作得以進行：在對第1條指令進行譯碼的時候，可以同時對第2條指令進行取指操作；在對第1條指令進行執行的時候，可以同時對第2條指令進行譯碼操作，對第3條指令進行取指操作。顯然，這樣就可以將該程序的運行總時間從30秒縮減為12秒，提速近3倍。上面所述并行運行指令的方式就被稱為流水線操作。可見：流水線操作的本質是利用指令運行的不同階段使用的CPU硬件互不相同，并發的運行多條指令，從而提高時間效率。
流水線的引入，的確提高了CPU運行指令的時間效率，但卻為我們的匯編程序編寫引入了新的問題。請看下面的分析：
寄存器PC的值是即將被取指的指令的地址，正常情況下，在該條指令被取入CPU后執行期間，PC的值保持不變，在該條指令執行完成的時間點上，硬件會自動將PC的值增加一個單位的大小，這樣PC就指向了下一條將被取指和執行的指令。而在引入流水線后，PC值的情況發生了變化，假定第1條指令的內存地址為X，則在時刻T，PC的值變為X，并在時刻T至時刻T+1期間維持不變；在時刻T+1，PC的值變為X+1個單位，并在時刻T+1至時刻T+2期間維持不變；在時刻T+2，PC的值變為X+2個單位，并在時刻T+2至時刻T+3期間維持不變；在時刻T+3，PC的值將變為X+3個單位。由此可見，在第1條指令的執行階段，PC的值不再是該指令在內存中的位置，而是該指令在內存中的位置+2個單元。對于ARM指令集而言，每條指令的長度為32bit，占4byte，所以1條指令在內存中需要4byte存儲。因此，我們的結論是：
指令執行時，PC的值 = 當前正在執行指令在內存中的地址 + 8
請牢記以上結論。雖然目前我們并不明白這個結論有何作用，但在后續的課程中，特別是通過查看反匯編代碼的方式理解偽指令和編譯器行為的時候，這個結論將會很有幫助。
最后說明一點：其實ARM現在的CPU的流水線級數早已經突破了3級。但我仍然以3級流水線來進行講解，是因為：1、較之多級流水線，3級流水線最簡單，因此也最便于初學者理解；2、雖然存在多種級別的流水線，但ARM出于統一和前后兼容的考慮，PC的值 = 當前正在執行指令在內存中的地址 + 8這個結論在所有的流水線級別上都是相同的。作為編程人員而言，我們只需要知道這個結論即可。
致謝：感謝安博中程的Michael Tang為本文制作了示意圖。
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