三级流水线ARM的组织
ARM的3级流水线介绍
到ARM7为止的ARM处理器使用的简单3级流水线分别为
- 取指级 ：读取指令。
- 译码级 ：对指令进行译码。占有“译码逻辑”，不占有“数据路径”。
- 执行级 ：指令占有“数据路径”，寄存器堆栈被读取，操作数在桶式移位器中被移位，ALU产生相应的运算结果，并写回目的寄存器中。并根据需求更改状态寄存器的条件位。
ARM3级流水线下PC的行为
在3级流水线的执行过程中，当通过R15寄存器直接访问PC时，必须考虑到此时流水线的执行过程的真实情况
程序执行时间计算公式
- ：指令数 (固定)。
- CPI : 每条指令的平均时钟周期数。
- : 时钟频率。
减少Tprog的方法:
- 减少CPI: 将程序和数据分开
- 提高
- : 增加流水数，简化每一级的逻辑。
五级流水线ARM的组织
使用5级流水线的ARM处理器包含下面5个流水线级：
- 取指：取指令。
- 译码 ：读取寄存器操作数，寄存器堆中有3个操作数读端口，大多数ARM指令能在一个周期内读取其操作数。
- 执行 ：把一个操作数移位，并产生ALU结果，如果是Load/Store指令，在ALU中计算存储器地址。
- 缓冲\数据 ：如果需要，则访问数据存储器，否则ＡＬＵ的结果只是简单地缓冲一个时钟周期，以便使得所有指令都有相同的流水线流程。
- 回写 ：将指令产生的结果写回到寄存器堆，包括任何从存储器读取的数据。
进一步减少CPI
要改进CPI，必须增加指令存储器的带宽，ARM10TDMI采用64位存储器结构来解决存储器的瓶颈问题。
- 采用转移预测逻辑。可以把时钟频率提高，达到每一时钟周期取2条指令。转移预测单元在流水线的发射阶段之前（在流水线的取指阶段），能识别转移指令，并把它从指令流中移去，从而，尽可能地把转移所引起的周期损失降至零。
- 采用非阻塞（Non-blocking）存取执行。一般的存储器存储加载指令，不能在单一存储器周期中完成。采用非阻塞存取措施，就不会在流水线的执行阶段产生停顿。
- 采用64位数据存储器。这样，允许在每个时钟周期传送2个寄存器的指令存取。ARM10TDMI的寄存器组具有4个读端口和3个写端口。
参考文献：
孟祥莲．嵌入式系统原理及应用教程（第2版）[M]．北京：清华大学出版社，2017.
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