ARM汇编编程基础之二-流水线对PC值的影响

CPU模型图，源自http://teach.jwc.bupt.cn:4213/jsjzcyl/resource/cai/素材库/fig/Flash/5.1.swf

从上图中我们看到CPU内部有3个主要组成部分：指令寄存器，指令译码器，指令执行单元（包括ALU和通用寄存器组）。

CPU在执行1条指令的时候，主要有3个步骤：取指（将指令从内存或指令cache中取入指令寄存器）；译码（指令译码器对指令寄存器中的指令进行译码操作，从而辨识出该指令是要执行add，或是sub，或是其它操作，从而产生各种时序控制信号）；执行（指令执行单元根据译码的结果进行运算并保存结果）

现在我们假设一下：CPU串行执行程序（即：执行完1条指令后，再执行下一条指令）；指令执行的3个步骤中每个步骤都耗时1秒；整个程序共10条指令。那么，这个程序总的执行时间是多少呢？显然，是30秒。但这个结果令我们非常不满意，因为它太慢了。有没有办法让它座上京津高铁提速3倍呢？当然有！仔细观察上图，我们发现：取指阶段占用的CPU硬件是指令通路和指令寄存器；译码阶段占用的CPU硬件是指令译码器；执行阶段占用的CPU硬件是指令执行单元和数据通路。三者占用的CPU硬件完全不同，这样就使得如下的操作得以进行：在对第1条指令进行译码的时候，可以同时对第2条指令进行取指操作；在对第1条指令进行执行的时候，可以同时对第2条指令进行译码操作，对第3条指令进行取指操作。显然，这样就可以将该程序的运行总时间从30秒缩减为12秒，提速近3倍。上面所述并行运行指令的方式就被称为流水线操作。可见：流水线操作的本质是利用指令运行的不同阶段使用的CPU硬件互不相同，并发的运行多条指令，从而提高时间效率。

流水线的引入，的确提高了CPU运行指令的时间效率，但却为我们的汇编程序编写引入了新的问题。请看下面的分析：

寄存器PC的值是即将被取指的指令的地址，正常情况下，在该条指令被取入CPU后执行期间，PC的值保持不变，在该条指令执行完成的时间点上，硬件会自动将PC的值增加一个单位的大小，这样PC就指向了下一条将被取指和执行的指令。而在引入流水线后，PC值的情况发生了变化，假定第1条指令的内存地址为X，则在时刻T，PC的值变为X，并在时刻T至时刻T+1期间维持不变；在时刻T+1，PC的值变为X+1个单位，并在时刻T+1至时刻T+2期间维持不变；在时刻T+2，PC的值变为X+2个单位，并在时刻T+2至时刻T+3期间维持不变；在时刻T+3，PC的值将变为X+3个单位。由此可见，在第1条指令的执行阶段，PC的值不再是该指令在内存中的位置，而是该指令在内存中的位置+2个单元。对于ARM指令集而言，每条指令的长度为32bit，占4byte，所以1条指令在内存中需要4byte存储。因此，我们的结论是：

指令执行时，PC的值 = 当前正在执行指令在内存中的地址 + 8

请牢记以上结论。虽然目前我们并不明白这个结论有何作用，但在后续的课程中，特别是通过查看反汇编代码的方式理解伪指令和编译器行为的时候，这个结论将会很有帮助。

最后说明一点：其实ARM现在的CPU的流水线级数早已经突破了3级。但我仍然以3级流水线来进行讲解，是因为：1、较之多级流水线，3级流水线最简单，因此也最便于初学者理解；2、虽然存在多种级别的流水线，但ARM出于统一和前后兼容的考虑，PC的值 = 当前正在执行指令在内存中的地址 + 8这个结论在所有的流水线级别上都是相同的。作为编程人员而言，我们只需要知道这个结论即可。

致谢：感谢安博中程的Michael Tang为本文制作了示意图。