世界上有很多種體系結(jié)構(gòu)的處理器，比較知名的處理器體系結(jié)構(gòu)有：ARM、x86、RISC-V、mips、LoongArch、PowerPC等。不論是哪一種架構(gòu)的處理器，其處理器核心都會自帶一定數(shù)量的寄存器，這些寄存器在處理器核心的運(yùn)行過程中發(fā)揮著基礎(chǔ)而又重要的作用。

ARM體系結(jié)構(gòu)是一種基于指令加載和存儲的體系結(jié)構(gòu)。在這種體系結(jié)構(gòu)下，所有的數(shù)據(jù)處理都需要在通用寄存器中完成，而不能直接在內(nèi)存中完成。因此，這種體系結(jié)構(gòu)的處理器核心處理數(shù)據(jù)的過程為：首先把待處理數(shù)據(jù)從內(nèi)存加載到通用寄存器，然后進(jìn)行處理，最后把結(jié)果寫入內(nèi)存中。

通用寄存器

ARM架構(gòu)提供了16個32位通用寄存器（R0-R15）用于軟件使用。其中R0-R12是普通寄存器，R13、R14和R15在程序的運(yùn)行過程中通常用作固定的用途。

R13：又叫堆棧指針寄存器（Stack pointer）SP，SP通常用于保存堆棧地址，在使用入棧和出棧指令時(shí)，SP中的堆棧地址會自動的更新。堆棧主要用于保存局部變量，保存函數(shù)間調(diào)用的關(guān)鍵寄存器。對于根本不需要進(jìn)行堆棧操作的程序，SP可以當(dāng)做普通寄存器來存儲數(shù)據(jù)。

R14：又叫鏈接寄存器（Link register）LR，LR主要用于存放函數(shù)的返回地址，即當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，知道自己該回到哪兒去繼續(xù)運(yùn)行。通常鏈接寄存器是和BL/BLX/CALL指令搭配使用，這幾個指令被調(diào)用后，默認(rèn)會自動將當(dāng)前調(diào)用指令的下一條指令地址保存到LR寄存器當(dāng)中。

R15：又叫程序計(jì)數(shù)器（Program Counter）PC，PC主要用于存放CPU取指的地址。ARMv7架構(gòu)同時(shí)支持ARM指令集和Thumb指令集。在ARM指令集中，當(dāng)CPU正在執(zhí)行A指令時(shí)，PC的值為當(dāng)前指令A(yù)地址+8；在Thumb指令集中，由于Thumb指令集為16位，當(dāng)CPU正在執(zhí)行A指令時(shí)，PC的值為當(dāng)前指令A(yù)地址+4。但是當(dāng)手動向PC賦值時(shí)，CPU就會跳轉(zhuǎn)到賦值所代表的地址處去運(yùn)行。記住PC存放的是取指地址，不是當(dāng)前CPU運(yùn)行地址。

備注：在ARM狀態(tài)下，PC指向的地址bit[1:0]總是為0，因此PC指向的地址都是4字節(jié)對齊。ARMv7架構(gòu)的處理器支持混合編碼即同時(shí)支持ARM指令集和Thumb指令集，因此為了區(qū)分Thumb指令集和ARM指令集，ARM將PC指向地址的bit[0]位作為標(biāo)志位。如果PC指向的地址bit[0]位為1，表示當(dāng)前是Thumb指令集；如果PC指向的地址bit[0]位為0，表示當(dāng)前是ARM指令集。

三級流水線

為了增加處理器指令流的速度，ARM使用了多級流水線技術(shù)。多級流水線技術(shù)是一種將指令的執(zhí)行分解成多個步驟，并讓不同指令的各步驟重疊的一種準(zhǔn)并行處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)。經(jīng)典的三級流水線結(jié)構(gòu)將指令的執(zhí)行分成取指，譯碼和執(zhí)行這三個階段。

可以將指令的執(zhí)行過程看成工廠加工產(chǎn)品的過程，當(dāng)沒有采用流水線時(shí)只有一個工人A，工人A先對指令取指，然后對指令譯碼，最后執(zhí)行指令，然后再次對指令取指周而復(fù)始。工人A在同一個時(shí)間只能干一件事，指令的執(zhí)行也就只有等工人A對指令完成取指和譯碼之后才能進(jìn)行。工廠老板一看，這產(chǎn)品的生產(chǎn)效率太低，就又請了工人B和工人C，現(xiàn)在工人A只負(fù)責(zé)取指，工人B只負(fù)責(zé)譯碼，工人C只負(fù)責(zé)執(zhí)行，這樣三條流水線同時(shí)工作，每時(shí)每刻都有指令在被取指，譯碼和執(zhí)行，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率大大的提高了。三級流水線示意圖如下圖所示：

ARMv7-A架構(gòu)學(xué)習(xí)_3級流水線

上圖是ARM指令集的三級流水線結(jié)構(gòu)，每條指令的地址間隔為4字節(jié)，當(dāng)CPU在t3時(shí)間段開始執(zhí)行add r0,r1,#3指令時(shí)，PC的值為0x00000008，即PC此時(shí)指向cmp r0,#9指令處。記住PC存放的是取指地址，不是當(dāng)前CPU運(yùn)行地址。結(jié)合上圖對于Thumb指令集的PC值分析也是比較簡單的。

采用多級流水線技術(shù)后，并沒有加速單條指令的執(zhí)行，每條指令的步驟并沒有減少，只是多條指令的不同操作步驟同時(shí)執(zhí)行，因而從總體上看加快了指令流速度，縮短了程序執(zhí)行時(shí)間。

審核編輯：湯梓紅