ARM基础教程|ARM多级流水线的优缺点

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为什么有些CPU的主频更低&＃xff0c;但运算效率却更高呢&＃xff1f;

比如&＃xff1a;51单片机30M主频&＃xff0c;STM32单片机20M主频&＃xff0c;执行相同一段代码可能主频更低的STM32所花的时间更短。

这里就牵涉到CPU流水线的问题&＃xff0c;本文围绕CPU流水线描述相关内容。

早期CPU流水线

1.流水线来源

流水线的概念来源于工业制造领域&＃xff0c;以汽车装配为例来解释流水线的工作方式&＃xff0c;假设装配一辆汽车需要四个步骤&＃xff1a;

1.冲压&＃xff1a;制作车身外壳和底盘等部件&＃xff1b;

2.焊接&＃xff1a;将冲压成形后的各部件焊接成车身&＃xff1b;

3.涂装&＃xff1a;将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干&＃xff1b;

4.总装&＃xff1a;将各部件&＃xff08;包括发动机和向外采购的零部件&＃xff09;组装成车&＃xff1b;

汽车装配需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人&＃xff0c;最简单的方法是一辆汽车依次经过上述四个步骤装配完成之后&＃xff0c;下一辆汽车才开始进行装配&＃xff0c;最早期的工业制造就是采用的这种原始的方式&＃xff0c;即同一时刻只有一辆汽车在装配。

不久之后人们发现&＃xff0c;某个时段中一辆汽车在进行装配时&＃xff0c;其它三个工人都处于闲置状态&＃xff0c;显然这是对资源的极大浪费&＃xff0c;于是思考出能有效利用资源的新方法&＃xff0c;即在第一辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候&＃xff0c;立刻开始进行第二辆汽车的冲压&＃xff0c;而不是等到第一辆汽车经过全部四个工序后才开始&＃xff0c;这样在后续生产中就能够保证四个工人一直处于运行状态&＃xff0c;不会造成人员的闲置。这样的生产方式就好似流水川流不息&＃xff0c;因此被称为流水线。

2.CPU流水线

1989 年推出的 i486 处理器引入了五级流水线。这时&＃xff0c;在 CPU 中不再仅运行一条指令&＃xff0c;每一级流水线在同一时刻都运行着不同的指令。这个设计使得 i486 比同频率的 386 处理器性能提升了不止一倍。

五级流水线中的取指阶段将指令从指令缓存中取出&＃xff08;i486 中的指令缓存为 8KB&＃xff09;&＃xff1b;

第二级为译码阶段&＃xff0c;将取出的指令翻译为具体的功能操作&＃xff1b;

第三级为转址阶段&＃xff0c;用来将内存地址和偏移进行转换&＃xff1b;

第四级为执行阶段&＃xff0c;指令在该阶段真正执行运算&＃xff1b;

第五级为退出阶段&＃xff0c;运算的结果被写回寄存器或者内存。

由于处理器同时运行了多条指令&＃xff0c;大大提升了程序运行的性能。

CPU流水线技术

CPU流水线技术是一种将指令分解为多步&＃xff0c;并让不同指令的各步操作重叠&＃xff0c;从而实现几条指令并行处理&＃xff0c;以加速程序运行过程的技术。

指令的每步有各自独立的电路来处理&＃xff0c;每完成一步&＃xff0c;就进到下一步&＃xff0c;而前一步则处理后续指令。

采用流水线技术后&＃xff0c;并没有加速单条指令的执行&＃xff0c;每条指令的操作步骤一个也不能少&＃xff0c;只是多条指令的不同操作步骤同时执行&＃xff0c;因而从总体上看加快了指令流速度&＃xff0c;缩短了程序执行时间。

流水线技术是通过增加计算机硬件来实现的。它要求各功能段能互相独立地工作&＃xff0c;这就要增加硬件&＃xff0c;相应地也加大了控制的复杂性。如果没有互相独立的操作部件&＃xff0c;很可能会发生各种冲突。例如要能预取指令&＃xff0c;就需增加指令的硬件电路&＃xff0c;并把取来的指令存放到指令队列缓冲器中&＃xff0c;使微处理器能同时进行取指令和分析、执行指令的操作。

---来自百度百科

流水线与代码执行效果

为什么说同主频的51单片机相比STM32执行效率低呢&＃xff1f; 

除了大家认为的8位和32位宽度区别之外&＃xff0c;还有一个就是51单片机不支持流水线&＃xff08;也可以理解为单流水线&＃xff09;&＃xff0c;而STM32支持流水线。

Cortex‐M3处理器使用一个 3 级流水线。流水线的 3 级分别是&＃xff1a;取指、解码和执行&＃xff0c; 如图&＃xff1a;

通过下面一张图来对比单流水线和多级流水线&＃xff0c;你就更能明白为什么51单片机执行效率低了。

多级流水线优缺点

并非在所有情况下流水线技术都起作用。可能有一些缺点。如果一条指令流水线能够在每一个时脉周期接纳一条新的指令&＃xff0c;被称为完整流水线&＃xff08;fully pipelined&＃xff09;。因流水线中的指令需要延迟处理而要等待数个时脉周期&＃xff0c;被称为非完整流水线。

当一名程序员&＃xff08;或者组合者/编译者&＃xff09;编写组合代码&＃xff08;或者汇编码&＃xff09;时&＃xff0c;他们会假定每个指令是循序运行的。而这个假设会使流水线无效。当此现象发生后程序会表现的不正常&＃xff0c;而此现象就是危害。不过当前有提供几种技术来解决这些危害像是转发与延迟等。

1.优点

• 减少了处理器执行指令所需要的时脉周期&＃xff0c;在通常情况下增加了指令的输入频率&＃xff08;issue-rate&＃xff09;。

• 一些集成电路&＃xff0c;例如加法器或者乘法器&＃xff0c;通过添加更多的环路使其工作得更快&＃xff0c;如果以流水线替代&＃xff0c;能相对地减少环路。

2.缺点

• 流水线处理器设计复杂度更高、生产成本更高&＃xff1b;

• 流水线的处理器必须在数据路径中添加额外触发器。

• 非流水线处理器有固定指令位宽&＃xff0c;流水线处理器的性能更难以预测&＃xff0c;并且不同的程序之间的变化可能更大。

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