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三級流水線ARM的組織

ARM的3級流水線介紹

到ARM7為止的ARM處理器使用的簡單3級流水線分別為

取指級 ：讀取指令。譯碼級 ：對指令進行譯碼。占有“譯碼邏輯”，不占有“數據路徑”。執行級 ：指令占有“數據路徑”，寄存器堆棧被讀取，操作數在桶式移位器中被移位，ALU產生相應的運算結果，并寫回目的寄存器中。并根據需求更改狀態寄存器的條件位。

ARM3級流水線下PC的行為

在3級流水線的執行過程中，當通過R15寄存器直接訪問PC時，必須考慮到此時流水線的執行過程的真實情況

程序執行時間計算公式

：指令數 (固定)。CPI : 每條指令的平均時鐘周期數。: 時鐘頻率。

減少Tprog的方法:

減少CPI: 將程序和數據分開提高 : 增加流水數，簡化每一級的邏輯。

五級流水線ARM的組織

使用5級流水線的ARM處理器包含下面5個流水線級：

取指：取指令。譯碼 ：讀取寄存器操作數，寄存器堆中有3個操作數讀端口，大多數ARM指令能在一個周期內讀取其操作數。執行 ：把一個操作數移位，并產生ALU結果，如果是Load/Store指令，在ALU中計算存儲器地址。緩沖\數據 ：如果需要，則訪問數據存儲器，否則ＡＬＵ的結果只是簡單地緩沖一個時鐘周期，以便使得所有指令都有相同的流水線流程。回寫 ：將指令產生的結果寫回到寄存器堆，包括任何從存儲器讀取的數據。

進一步減少CPI

要改進CPI，必須增加指令存儲器的帶寬，ARM10TDMI采用64位存儲器結構來解決存儲器的瓶頸問題。

采用轉移預測邏輯。可以把時鐘頻率提高，達到每一時鐘周期取2條指令。轉移預測單元在流水線的發射階段之前（在流水線的取指階段），能識別轉移指令，并把它從指令流中移去，從而，盡可能地把轉移所引起的周期損失降至零。采用非阻塞（Non-blocking）存取執行。一般的存儲器存儲加載指令，不能在單一存儲器周期中完成。采用非阻塞存取措施，就不會在流水線的執行階段產生停頓。采用64位數據存儲器。這樣，允許在每個時鐘周期傳送2個寄存器的指令存取。ARM10TDMI的寄存器組具有4個讀端口和3個寫端口。

參考文獻：

孟祥蓮．嵌入式系統原理及應用教程（第2版）[M]．北京：清華大學出版社，2017.