ARMv7-A架构学习笔记：通用寄存器与流水线

世界上有很多种体系结构的处理器，比较知名的处理器体系结构有：ARM、x86、RISC-V、mips、LoongArch、PowerPC等。不论是哪一种架构的处理器，其处理器核心都会自带一定数量的寄存器，这些寄存器在处理器核心的运行过程中发挥着基础而又重要的作用。

ARM体系结构是一种基于指令加载和存储的体系结构。在这种体系结构下，所有的数据处理都需要在通用寄存器中完成，而不能直接在内存中完成。因此，这种体系结构的处理器核心处理数据的过程为：首先把待处理数据从内存加载到通用寄存器，然后进行处理，最后把结果写入内存中。

通用寄存器

ARM架构提供了16个32位通用寄存器（R0-R15）用于软件使用。其中R0-R12是普通寄存器，R13、R14和R15在程序的运行过程中通常用作固定的用途。

R13：又叫堆栈指针寄存器（Stack pointer）SP，SP通常用于保存堆栈地址，在使用入栈和出栈指令时，SP中的堆栈地址会自动的更新。堆栈主要用于保存局部变量，保存函数间调用的关键寄存器。对于根本不需要进行堆栈操作的程序，SP可以当做普通寄存器来存储数据。

R14：又叫链接寄存器（Link register）LR，LR主要用于存放函数的返回地址，即当函数返回时，知道自己该回到哪儿去继续运行。通常链接寄存器是和BL/BLX/CALL指令搭配使用，这几个指令被调用后，默认会自动将当前调用指令的下一条指令地址保存到LR寄存器当中。

R15：又叫程序计数器（Program Counter）PC，PC主要用于存放CPU取指的地址。ARMv7架构同时支持ARM指令集和Thumb指令集。在ARM指令集中，当CPU正在执行A指令时，PC的值为当前指令A地址+8；在Thumb指令集中，由于Thumb指令集为16位，当CPU正在执行A指令时，PC的值为当前指令A地址+4。但是当手动向PC赋值时，CPU就会跳转到赋值所代表的地址处去运行。记住PC存放的是取指地址，不是当前CPU运行地址。

备注：在ARM状态下，PC指向的地址bit[1:0]总是为0，因此PC指向的地址都是4字节对齐。ARMv7架构的处理器支持混合编码即同时支持ARM指令集和Thumb指令集，因此为了区分Thumb指令集和ARM指令集，ARM将PC指向地址的bit[0]位作为标志位。如果PC指向的地址bit[0]位为1，表示当前是Thumb指令集；如果PC指向的地址bit[0]位为0，表示当前是ARM指令集。

三级流水线

为了增加处理器指令流的速度，ARM使用了多级流水线技术。多级流水线技术是一种将指令的执行分解成多个步骤，并让不同指令的各步骤重叠的一种准并行处理实现技术。经典的三级流水线结构将指令的执行分成取指，译码和执行这三个阶段。

可以将指令的执行过程看成工厂加工产品的过程，当没有采用流水线时只有一个工人A，工人A先对指令取指，然后对指令译码，最后执行指令，然后再次对指令取指周而复始。工人A在同一个时间只能干一件事，指令的执行也就只有等工人A对指令完成取指和译码之后才能进行。工厂老板一看，这产品的生产效率太低，就又请了工人B和工人C，现在工人A只负责取指，工人B只负责译码，工人C只负责执行，这样三条流水线同时工作，每时每刻都有指令在被取指，译码和执行，产品的生产效率大大的提高了。三级流水线示意图如下图所示：

ARMv7-A架构学习_3级流水线

上图是ARM指令集的三级流水线结构，每条指令的地址间隔为4字节，当CPU在t3时间段开始执行add r0,r1,#3指令时，PC的值为0x00000008，即PC此时指向cmp r0,#9指令处。记住PC存放的是取指地址，不是当前CPU运行地址。结合上图对于Thumb指令集的PC值分析也是比较简单的。

采用多级流水线技术后，并没有加速单条指令的执行，每条指令的步骤并没有减少，只是多条指令的不同操作步骤同时执行，因而从总体上看加快了指令流速度，缩短了程序执行时间。

审核编辑：汤梓红