ARM體系結構之：流水線

在ARM9TDMI中使用了典型的5級流水線。ARM9TDMI的組織結構如圖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。在寄存器堆中有3個操作數讀端口，因此，大多數ARM指令能在1個周期內讀取其操作數。

· 執行（execute）：將其中一個操作數移位，并在ALU中產生結果。如果指令是Load或Store指令，則在ALU中計算存儲器的地址。

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

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

圖2.8顯示了5級流水線指令的執行過程。

圖2.7 5級流水線的組織結構

圖2.8 5級流水線

在程序執行過程中，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，得到的值是不同的（PC+4而不是PC+8）。這產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，將流水線的級數增加到6級，使系統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，經常會遇到這樣的情形，即一條指令的結果被用做下一條指令的操作數。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級流水線上產生互鎖

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

2．跳轉指令

跳轉指令也會破壞流水線的行為，因為后續指令的取指步驟受到跳轉目標計算的影響，因而必須推遲。但是，當跳轉指令被譯碼時，在它被確認是跳轉指令之前，后續的取指操作已經發生。這樣一來，已經被預取進入流水線的指令不得不被丟棄。如果跳轉目標的計算是在ALU階段完成的，那么，在得到跳轉目標之前已經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移目標，當然這需要硬件支持；如果轉移指令具有固定格式，那么可以在解碼階段預測跳轉目標，從而將跳轉的執行時間減少到單個周期。但要注意，由于條件跳轉與前一條指令的條件碼結果有關，在這個流水線中，還會有條件轉移的危險。

盡管有些技術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。流水線級數越多，問題就越嚴重。對于相對簡單的處理器，使用3～5級流水線效果最好。

顯然，只有當所有指令都依照相似的步驟執行時，流水線的效率達到最高。如果處理器的指令非常復雜，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。