[嵌入式][003] [ARM-Cortex-M3/4] 指令流水线

1 RISC与CISC

1.1 RISC

ARM芯片属于精简指令集CPU(RISC: Reduced Instruction Set Computing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：

• 对内存只有读/写指令
• 对于数据的运算在CPU内部实现
• 使用RISC指令减少复杂度

执行a = a * b，RISC使用4条汇编指令：

1. 读内存a，将数据放到处理器的寄存器中
2. 读内存b，将数据放到处理器的寄存器中
3. 计算a * b
4. 将结果写回内存

1.2 CISC

x86属于复杂指令集计算机(CISC: Complex Instruction Set Computing)，它所用的指令比较复杂，比如某些复杂的指令，它是通过"微程序"来实现的。比如执行乘法指令时，实际上会去执行一个“微程序”，如执行a = a * b，“微程序”内部一样执行上述四个操作，但对于程序员来说是看不见的，好像一条指令即完成。

2 流水线

Cortex-M3/4处理器使用一个3级流水线。流水线的3个级分别是：

• 取指：从存储器装载一条指令
• 解码（译码）：识别将要被执行的指令
• 执行：执行处理指令并将结果写回寄存器组

取指，解码，执行是同时进行的。

当第N条指令正在执行时，第N+2条指令正在取指，而PC总是指向正在取指的指令，即指向第三条指令。

每次取指令都是32位的，而多数指令则是16位的，因此一次可以取两条指令，基于此可以得出以下结论（PC的LSB置1表示Thumb状态，反之为ARM状态）：

• 处理器处于ARM状态时，每条指令为4个字节，PC为当前执行的指令地址+8字节
• 处理器处于Thumb状态时，每条指令为2字节，PC为当前执行的指令地址+4字节。（Thumb-2指令兼有16位和32位指令，可提供几乎与ARM指令集完全一样的功能）

为了保证Thumb-2与Thumb的一致性，对于CM3/4，不管执行16位或32位指令，PC偏移量总为4。

当运行的指令大多为16位时，处理器会每隔一个周期做一次取指，因为此时CM3/4一次可取两条指令（一次能取32位），总线接口就可先“休息”一个周期再取指，若有些指令执行需要多个周期，在这期间流水线会暂停。

当执行到跳转指令时，需要清洗流水线，处理器会不得不从跳转目的地重新取指。因此，尽量地少使用跳转指令可以提高程序的执行效率。

此外，在处理器内核的预取单元中有一个指令缓冲区：

• 允许后续的指令在执行前先在里面排队
• 执行未对齐的32位指令时，避免流水线“断流”

上图即为未对齐32位Thumb-2指令：

• N：执行A1

• N+4：解码B1，在指令缓冲区中执行A2

• N+8：在指令缓冲区中解码B2，避免流水线“断流”

• N+C：执行D，在指令缓冲区中执行C2

若缓冲区满，总线接口则处于空闲状态。

END