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(gè)東西？

流水線是為了提高效率,能并發(fā)同時(shí)進(jìn)行多個(gè)任務(wù)。

CPU的一個(gè)任務(wù)，或者說指令，被分為很多個(gè)步驟完成，就跟生產(chǎn)線上裝配汽車，分成若干個(gè)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。可以想象成，Intel有較少的生產(chǎn)線，而每個(gè)生產(chǎn)線上把裝配一輛汽車分成了較多的步驟，所以生產(chǎn)線很長。這樣的優(yōu)點(diǎn)是，生產(chǎn)線上的每個(gè)步驟需要完成的任務(wù)相對較少，這樣，工作的節(jié)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(gòu)的缺點(diǎn)是，因?yàn)榱魉€太長，如果中間有一步發(fā)生錯(cuò)誤，只有到最后一個(gè)工序才能發(fā)現(xiàn)。雖然這種錯(cuò)誤幾率很小很小，但是不可避免，而且會(huì)被非常高的主頻放大無數(shù)倍，帶來的影響就是工作效率并沒有隨著節(jié)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(gòu)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(chǎn)線較多，但是每條生產(chǎn)線的長度較短。帶來的影響是，在短生產(chǎn)線上裝備一輛汽車的話，每個(gè)工序需要干的活比較多，所以大家工作的節(jié)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(zhí)行數(shù)量，也就是裝配汽車的數(shù)量，效率較高。短的流水線受工序錯(cuò)誤的影響也很低，因?yàn)榱魉€短，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤會(huì)更及時(shí)。主頻低，錯(cuò)誤率被放大的也小。

CPU的主頻

CPU的主頻相當(dāng)于流水線工作的統(tǒng)一干活節(jié)奏。你可以想象成主頻就是干活時(shí)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(zhí)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(yùn)行速度下可以執(zhí)行多少個(gè)MIPS，如0.9MIPS/MHz則表示如果CPU運(yùn)行在1MHz的頻率下，每秒可執(zhí)行90萬條指令。如果CPU在20MHz的頻率下，每秒可運(yùn)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(jì)數(shù)器），流水線使用3個(gè)階段，因此指令分3個(gè)階段執(zhí)行。

⑴ 取指-從存儲(chǔ)器裝載一條指令

⑵ 譯碼-識別將要被執(zhí)行的指令

⑶ 執(zhí)行-處理指令并將結(jié)果寫回寄存器或者存儲(chǔ)器

以前學(xué)過的51單片機(jī)，因?yàn)楸容^簡單，所以它的處理器只能完成一條指令的讀取和執(zhí)行后，才會(huì)執(zhí)行下一條指令。這樣，PC始終指向的正在“執(zhí)行”的指令。

而對于ARMV7來說因?yàn)槭?級流水線，所以把指令的處理分為了上面所述的3個(gè)階段。

所以處理時(shí)實(shí)際是這樣的：ARM正在執(zhí)行第1條指令的同時(shí)對第2條指令進(jìn)行譯碼，并將第3條指令從存儲(chǔ)器中取出。

所以，ARMV7流水線只有在取第4條指令時(shí)，第1條指令才算完成執(zhí)行。

下圖生動(dòng)形象的說明了3級流水線的處理機(jī)制。

下面一句話很關(guān)鍵： 無論處理器處于何種狀態(tài)，程序計(jì)數(shù)器R15(PC)總是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在執(zhí)行”的指令或者“正在譯碼”的指令 。

人們一般會(huì)習(xí)慣性的將正在執(zhí)行的指令作為參考點(diǎn)，即當(dāng)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(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址再加2條指令的地址。

處理器處于ARM狀態(tài)時(shí)，每條指令為4個(gè)字節(jié)，所以PC值為正在執(zhí)行的指令地址加8字節(jié)，即是：

PC值 = 當(dāng)前程序執(zhí)行位置 + 8字節(jié)

處理器處于Thumb狀態(tài)時(shí)，每條指令為2字節(jié)，所以PC值為正在執(zhí)行的指令地址加4字節(jié)，即是：

PC值 = 當(dāng)前程序執(zhí)行位置 + 4字節(jié)

下面一個(gè)例子就很好的說明了這個(gè)問題。

1. 0x4000 ADD PC,PC,#4 ;正在被執(zhí)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(bǔ)充說明就是根據(jù)以上描述，流水線只有被指令填滿時(shí)才能發(fā)揮最大效能，即每時(shí)鐘周期完成一條指令的執(zhí)行（僅單周期指令）。

如果程序發(fā)生跳轉(zhuǎn)，流水線會(huì)被清空，這將需要幾個(gè)時(shí)鐘才能使流水線被再次填滿。因此，盡量地少使用跳轉(zhuǎn)指令可以提高程序的執(zhí)行效率。