ARM體系結(jié)構(gòu)之：流水線

在圖2.6中的指令序列中，處理器的每個(gè)邏輯單元在每個(gè)指令都是活動(dòng)的。可以看出流水線的執(zhí)行與存儲(chǔ)器訪問密切相關(guān)。存儲(chǔ)器訪問限制了程序執(zhí)行必須花費(fèi)的指令周期數(shù)。

ARM的流水線執(zhí)行模式導(dǎo)致了一個(gè)結(jié)果，就是程序計(jì)數(shù)器PC（對(duì)使用者而言為r15）必須在當(dāng)前指令執(zhí)行前計(jì)數(shù)。例如，指令在其第一個(gè)周期為下下條指令取指，這就意味著PC必須指向當(dāng)前指令的后8個(gè)字節(jié)（其后的第2條指令）。

當(dāng)程序中必須用到PC時(shí)，程序員要特別注意這一點(diǎn)。大多數(shù)正常情況下，不用考慮這一點(diǎn)，它由匯編器或編譯器自動(dòng)處理這些細(xì)節(jié)。

例2.3顯示了流水線下程序計(jì)數(shù)器PC的使用情況。

【例2.3】

指令序列為：

0x8000 LDR pc，[pc，＃0]

0x8004 NOP

0x8008 DCD jumpAdress

當(dāng)指令LDR處于執(zhí)行階段時(shí)，pc=address+8即0x8008。

2．5級(jí)流水線ARM組織

所有的處理器都要滿足對(duì)高性能的要求。直到ARM7為止，在ARM核中使用的3級(jí)流水線的性價(jià)比是很高的。但是，為了得到更高的性能，需要重新考慮處理器的組織結(jié)構(gòu)。執(zhí)行一個(gè)給定的程序需要的時(shí)間由下式?jīng)Q定：

T_prog = (N_inst×CPI)/ f_clk

式中：

N_inst：表示在程序中執(zhí)行的ARM指令數(shù)；

CPI：表示每條指令的平均時(shí)鐘周期；

f_clk：表示處理器的時(shí)鐘頻率。

因?yàn)閷?duì)給定程序（假設(shè)使用給定的優(yōu)化集并用給定的編譯器來編譯）N_inst是常數(shù)，所以，僅有兩種方法來提供性能。

第一，提高時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率的提高，必然引起指令執(zhí)行周期的縮短，所以要求簡(jiǎn)化流水線每一級(jí)的邏輯，流水線的級(jí)數(shù)就要增加。

第二，減少每條指令的平均指令周期數(shù)CPI。這就要求重新考慮3級(jí)流水線ARM中多于1個(gè)流水線周期的實(shí)現(xiàn)方法，以便使其占有較少的周期，或者減少因指令相關(guān)造成的流水線停頓，也可以將兩者結(jié)合起來。

3級(jí)流水線ARM核在每一個(gè)時(shí)鐘周期都訪問存儲(chǔ)器，或者取指令，或者傳輸數(shù)據(jù)。只是抓緊存儲(chǔ)器不用的幾個(gè)周期來改善系統(tǒng)系統(tǒng)性能，效果是不明顯的。為了改善CPI，存儲(chǔ)器系統(tǒng)必須在每個(gè)時(shí)鐘周期中給出多于一個(gè)的數(shù)據(jù)。方法是在每個(gè)時(shí)鐘周期從單個(gè)存儲(chǔ)器中給出多于32位數(shù)據(jù)，或者為指令或數(shù)據(jù)分別設(shè)置存儲(chǔ)器。

基于以上原因，較高性能的ARM核使用了5級(jí)流水線，而且具有分開的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。把指令的執(zhí)行分割為5部分而不是3部分，進(jìn)而可以使用更高的時(shí)鐘頻率，分開的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使核的CPI明顯減少。