00. 目錄

文章目錄

• • 00. 目錄
  • 01. 流水線概述
  • 02. 流水線分類
  • 03. 影響流水線性能的因素
  • 04. 附錄

01. 流水線概述

處理器按照一系列步驟來執行每一條指令，典型的步驟如下：

（1）從存儲器讀取指令（Fetch）。

（2）譯碼以鑒別它屬于哪一條指令（Decode）。

（3）從指令中提取指令的操作數（這些操作數往往存在于寄存器 Reg 中）。

（4）將操作數進行組合以得到結果或存儲器地址（ALU）。

（5）如果需要，則訪問存儲器以存儲數據（Mem）。

（6）將結果寫回到寄存器堆（Res）。

并不是所有的指令都需要上述每一個步驟，但是，多數指令需要其中的多個步驟。這些步驟往往使用不同的硬件功能，如 ALU 可能只在

第 4 步中用到。因此，如果一條指令不是在前一條指令結束之前就開始，那么在每一步驟內處理器只有少部分的硬件在使用。

有一種方法可以明顯改善硬件資源的使用率和處理器的吞吐量，這就是在當前一條指令結束之前就開始執行下一條指令，即通常所說的流

水線（Pipeline）技術。流水線是 RISC處理器執行指令時采用的機制。使用流水線，可在取下一條指令的同時譯碼和執行其他指令，從而

加快執行的速度。可以把流水線看作是汽車生產線，每個階段只完成專門的處理器任務。

采用上述操作順序，處理器可以這樣來組織：當一條指令剛剛執行完步驟（1）并轉向步驟（2）時，下一條指令就開始執行步驟（1）。

從原理上說，這樣的流水線應該比沒有重疊的指令執行快 6 倍，但由于硬件結構本身的一些限制，實際情況會比理想狀態差一些。

02. 流水線分類

2.1 3級流水線

到 ARM7 為止的 ARM 處理器使用簡單的 3 級流水線，它包括下列流水線級。

（1）取指令（Fetch）：從寄存器裝載一條指令。

（2）譯碼（Decode）：識別被執行的指令，并為下一個周期準備數據通路的控制信號。在這一級，指令占有譯碼邏輯，不占用數據通

路。

（3）執行（Excute）：處理指令并將結果寫回寄存器。

下圖 所示為 3 級流水線指令的執行過程。

當處理器執行簡單的數據處理指令時，流水線使得平均每個時鐘周期能完成1條指令。但1條指令需要3個時鐘周期來完成，因此，有3

個時鐘周期的延時（Latency），但吞吐率（Throughput）是每個周期1條指令。

2.2 5 級流水線

所有的處理器都要滿足對高性能的要求，直到 ARM7 為止，在 ARM 核中使用的 3 級流水線的性價比是很高的。但是，為了得到更高的性

能，需要重新考慮處理器的組織結構。有兩種方法來提高性能。

（1）提高時鐘頻率。時鐘頻率的提高，必然引起指令執行周期的縮短，所以要求簡化流水線每一級的邏輯，流水線的級數就要增加。

（2）減少每條指令的平均指令周期數 CPI。這就要求重新考慮 3 級流水線 ARM 中多于 1 個流水線周期的實現方法，以便使其占有較少的

周期，或者減少因指令相關造成的流水線停頓，也可以將兩者結合起來。

3 級流水線 ARM 核在每一個時鐘周期都訪問存儲器，或者取指令，或者傳輸數據。只是抓緊存儲器不用的幾個周期來改善系統性能，效

果并不明顯。為了改善 CPI，存儲器系統必須在每個時鐘周期中給出多于一個的數據。方法是在每個時鐘周期從單個存儲器中給出多于 32

位數據，或者為指令或數據分別設置存儲器。

基于以上原因，較高性能的 ARM 核使用了 5 級流水線，而且具有分開的指令和數據存儲器。把指令的執行分割為 5 部分而不是 3 部分，

進而可以使用更高的時鐘頻率，分開的指令和數據存儲器使核的 CPI 明顯減少。

在 ARM9TDMI 中使用了典型的 5 級流水線，5 級流水線包括下面的流水線級。

（1）取指令（Fetch）：從存儲器中取出指令，并將其放入指令流水線。

（2）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。

（3）執行（Execute）：將其中 1 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。

（4）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 1 個時鐘周期。

（5）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。

下圖所示為 5 級流水線指令的執行過程。

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）。這里產生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，穿過兩級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。

2.3 13級流水線

在 Cortex-A8 中有一條 13 級的流水線，但是由于 ARM 公司沒有對其中的技術公開任何相關的細節，這里只能簡單介紹一下，從經典

ARM 系列到現在的 Cortex 系列，ARM 處理器的結構在向復雜的階段發展，但沒改變的是 CPU 的取指指令和地址關系，不管是幾級流水

線，都可以按照最初的 3 級流水線的操作特性來判斷其當前的 PC 位置。這樣做主要還是為了軟件兼容性上的考慮，由此可以判斷的是，

后面 ARM 所推出的處理核心都想滿足這一特點，感興趣的讀者可以自行查閱相關資料。

03. 影響流水線性能的因素

3.1 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作下一條指令的操作數。例如，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

從例子可以看出，流水線的操作產生中斷，因為第 1 條指令的結果在第 2 條指令取數時還沒有產生。第 2 條指令必須停止，直到結果產

生為止。

3.2 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。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。

04. 附錄

4.1 ARM處理器開發詳解筆記

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【ARM】ARM流水线技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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