第二章 ARMLinux内核的优化设计及其实现研究——ARMLinux流水线技术分析

一、ARM7流水线技术

ARM7处理器通过引入流水线机制，有效提升了指令流的处理效率，使得多个操作能够并行执行，从而增强处理器与存储系统之间的协同性能，实现每MHz高达0.9MIPS的指令执行速率。

程序计数器（PC）作为关键组件，在流水线结构中发挥重要作用。该流水线划分为三个阶段，因此每条指令需经历以下三个步骤完成：

1、取指（从存储单元中读取指令内容）。

2、译码（分析即将执行的操作类型）。

3、执行（完成指令运算并将结果存入相应寄存器）。

程序计数器R15（PC）始终指示“当前正在取指的指令”。通常情况下，人们以“正在执行的指令”为基准点，并将其定义为当前第一条指令。因此，PC指向的是第三条即将被执行的指令。在ARM工作模式下，每条指令占据4字节空间，故PC值恒等于当前程序位置加上8字节偏移量。

如图2-13所示为ARM7最优流水线运行情况的时间空间图示。图中所展示的MOV、ADD、SUB等操作均为单周期完成的指令。从T1时刻起，在五个时钟周期内依次完成了五条指令的处理过程。所有运算均在寄存器内部进行（单周期完成），因此平均每条指令所需时钟周期数CPI为一个时钟周期。