什么是流水線？ARM處理器流水線簡析

CPU 流水線

什么是流水線？

類似于工廠流水線。

為什么要弄出這個東西？

流水線是為了提高效率,能并發同時進行多個任務。

CPU的一個任務，或者說指令，被分為很多個步驟完成，就跟生產線上裝配汽車，分成若干個零件工序依次安裝。

幾種CPU流水線

Intel：流水線較少，但是每條流水線的長度很長?？梢韵胂蟪?，Intel有較少的生產線，而每個生產線上把裝配一輛汽車分成了較多的步驟，所以生產線很長。這樣的優點是，生產線上的每個步驟需要完成的任務相對較少，這樣，工作的節奏很容易加快，也就是號子喊的可以快一些，所以Intel的P4主頻提高非常迅速。

這種架構的缺點是，因為流水線太長，如果中間有一步發生錯誤，只有到最后一個工序才能發現。雖然這種錯誤幾率很小很小，但是不可避免，而且會被非常高的主頻放大無數倍，帶來的影響就是工作效率并沒有隨著節奏的加快而明顯提升，也就是Intel“高頻低能”的原因之一。Intel的Pentium M系列就沒有采用這種架構模式，而是采用類似AMD的短管線多管線模式。

AMD：擁有較多的流水線，就是說，生產線較多，但是每條生產線的長度較短。帶來的影響是，在短生產線上裝備一輛汽車的話，每個工序需要干的活比較多，所以大家工作的節奏就不能太快。所以AMD的主頻提高非常困難?？墒茿MD較多的流水線同樣保證了指令執行數量，也就是裝配汽車的數量，效率較高。短的流水線受工序錯誤的影響也很低，因為流水線短，發現錯誤會更及時。主頻低，錯誤率被放大的也小。

CPU的主頻

CPU的主頻相當于流水線工作的統一干活節奏。你可以想象成主頻就是干活時候喊的號子，大家都跟著號子一步一步的干活。

描述主頻的單位：

MIPS（Million Instruction Per Second）表示CPU每秒執行多少百萬條指令。比如0.9MIPS，表示每秒九十萬條指令。

MIPS/MHz表示CPU在每MHz的運行速度下可以執行多少個MIPS，如0.9MIPS/MHz則表示如果CPU運行在1MHz的頻率下，每秒可執行90萬條指令。如果CPU在20MHz的頻率下，每秒可運行1800萬條指令。MIPS/MHz可以很好的反映CPU的速度。

ARM CPU 三級流水線（基于ARMV7）

3級流水線如上圖所示（PC為程序計數器），流水線使用3個階段，因此指令分3個階段執行。

⑴ 取指-從存儲器裝載一條指令

⑵ 譯碼-識別將要被執行的指令

⑶ 執行-處理指令并將結果寫回寄存器或者存儲器

以前學過的51單片機，因為比較簡單，所以它的處理器只能完成一條指令的讀取和執行后，才會執行下一條指令。這樣，PC始終指向的正在“執行”的指令。

而對于ARMV7來說因為是3級流水線，所以把指令的處理分為了上面所述的3個階段。

所以處理時實際是這樣的：ARM正在執行第1條指令的同時對第2條指令進行譯碼，并將第3條指令從存儲器中取出。

所以，ARMV7流水線只有在取第4條指令時，第1條指令才算完成執行。

下圖生動形象的說明了3級流水線的處理機制。

下面一句話很關鍵： 無論處理器處于何種狀態，程序計數器R15(PC)總是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在執行”的指令或者“正在譯碼”的指令 。

人們一般會習慣性的將正在執行的指令作為參考點，即當前第1條指令。

所以，PC總是指向第3條指令，或者說PC總是指向當前正在執行的指令地址再加2條指令的地址。

處理器處于ARM狀態時，每條指令為4個字節，所以PC值為正在執行的指令地址加8字節，即是：

PC值 = 當前程序執行位置 + 8字節

處理器處于Thumb狀態時，每條指令為2字節，所以PC值為正在執行的指令地址加4字節，即是：

PC值 = 當前程序執行位置 + 4字節

下面一個例子就很好的說明了這個問題。

1. 0x4000 ADD PC,PC,#4 ;正在被執行的指令，將地址值PC+4寫入PC
2. 0x4004 ...;正在被譯碼的指令
3. 0x4008 ...;正在被取指的指令，PC=0x4008
4. 0x400C ...;PC+4=0x400C

另外補充說明就是根據以上描述，流水線只有被指令填滿時才能發揮最大效能，即每時鐘周期完成一條指令的執行（僅單周期指令）。

如果程序發生跳轉，流水線會被清空，這將需要幾個時鐘才能使流水線被再次填滿。因此，盡量地少使用跳轉指令可以提高程序的執行效率。