LV025-三级流水线

前边知道了 PC 的值 = 当前正在执行指令在内存中的地址 + 8 可是这是为什么呢？下边我们来简单了解一下。

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。为什么这么说？

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：

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。

（PC 的值为什么一直在增加，因为要保证流水线正常工作就得不停取指，每次取值 PC 值当然增加，对照上图理解） 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。