Uboot中start.S源码的指令级的详尽解析

3.4. 为何ARM7中PC=PC+8

ARM7的三条流水线，PC=PC+8，很好理解，但是AMR9中，是五级流水线，为何还是PC=PC+8，而不是

PC

=PC+(5-1)*4

=PC + 16，

呢？

下面就需要好好解释一番了。

具体解释之前，先贴上ARM7和ARM9的流水线的区别和联系：

图 3.4. ARM7三级流水线 vs ARM9五级流水线

图 3.5. ARM7三级流水线到ARM9五级流水线的映射

下面开始对为何ARM9也是PC=PC+8进行解释。

先列出ARM9的五级流水线的示例：

图 3.6. ARM9的五级流水线示例

举例分析为何PC=PC+8

然后我们以下面uboot中的start.S的最开始的汇编代码为例来进行解释：

00000000 <_start>:
   0:	ea000014 	b	58 <reset>
   4:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 20 <_undefined_instruction>
   8:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 24 <_software_interrupt>
   c:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 28 <_prefetch_abort>
  10:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 2c <_data_abort>
  14:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 30 <_not_used>
  18:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 34 <_irq>
  1c:	e59ff014 	ldr	pc, [pc, #20]	; 38 <_fiq>

00000020 <_undefined_instruction>:
  20:	00000120 	.word	0x00000120
        

下面对每一个指令周期，CPU做了哪些事情，分别详细进行阐述：

在看下面具体解释之前，有一句话要牢记，那就是：

PC不是指向你正在运行的指令，而是

PC始终指向你要取的指令的地址

认识清楚了这个前提，后面的举例讲解，就容易懂了。

其实，分析到这里，大家就可以看出：

在Cycle3的时候，PC的值，刚好已经在Cycle1和Cycle2，分别加了4，所以Cycle3的时候，PC=PC+8，而同样道理，对于任何一条指令的，都是在Cycle3，指令的Execute执行阶段，如果用到PC的值，那么PC那一时刻，就是PC=PC+8。

所以，此处虽然是五级流水线，但是却不是PC=PC+16，而是PC=PC+8。

进一步地，我们发现，其实PC=PC+N的N，是和指令的执行阶段所处于流水线的深度有关，即此处指令的执行Execute阶段，是五级流水线中的第三个，而这个第三阶段的Execute和指令的第一个阶段的Fetch取指，相差的值是 3 -1 =2，即两个CPU的Cycle，而每个Cycle都会导致PC=+PC+4，所以，指令到了Execute阶段，才会发现，此时PC已经变成PC=PC+8了。

回过头来反观ARM7的三级流水线，也是同样的道理，指令的Execute执行阶段，是处于指令的第三个阶段，同理，在指令计算数据的时候，如果用到PC，就会发现此时PC=PC+8。

同理，假如ARM9的五级流水线，把指令的Execute执行阶段，设计在了第四个阶段，那么就是PC=PC+（第4阶段-1）*4个字节 = PC= PC+12了。

用图来说明PC=PC+8个过程

对于上面的文字的分析过程，可能看起来不是太容易理解，所以，下面这里通过图表来表示具体的流程，就更容易看懂了。其中，下图，是以ARM9的五级流水线的内部架构图为基础，而编辑的出来用于说明为何ARM9的五级流水线，也是PC=PC+8：

图 3.7. ARM9的五级流水线中为何PC=PC+8

对于上图中的，第一个指令在执行的时候，是使用到了PC的值，其实，我们可以看到，

对于指令在执行中，不论是否用到PC的值，PC都会按照既定逻辑，没一个cycle，自动增加4的，套用《非诚勿扰2》中的经典对白，即为：

你（指令执行的时候）用，

或者不用，

PC就在那里，

自动增4

所以，经过两个cycle的增4，就到了指令执行的时候，此时PC已经增加了8了，即使你指令执行的时候，没有用到PC的值，其也还是已经加了8了。而一般来说，大多数的指令，肯定也都是没有用到PC的，但是其实任何指令执行的那一时刻，也已经是PC=PC+8，而多数指令没有用到，所以很多人没有注意到这点罢了。

	PC（execute）=PC（fetch）+ 8
	对于PC=PC+8中的两个PC，其实含义不完全一样.其更准确的表达，应该是这样： PC（execute）=PC（fetch）+ 8 其中： PC（fetch）：当前正在执行的指令，就是之前取该指令时候的PC的值 PC（execute）：当前指令执行的计算中，如果用到PC，则此时PC的值。

	不同阶段的PC值的关系
	对应地，在ARM7的三级流水线（取指，译指，执行）和ARM9的五级流水线（取指，译指，执行，存储，写回）中，可以这么说： PC， 总是指向当前正在被取指的指令的地址， PC-4，总是指向当前正在被译指的指令的地址， PC-8，总是指向当前的那条指令，即我们一般说的，正在被执行的指令的地址。

【总结】

ARM7的三级流水线，PC=PC+8，

ARM9的五级流水线，也是PC=PC+8，

根本的原因是，两者的流水线设计中，指令的Execute执行阶段，都是处于流水线的第三级。

所以使得PC=PC+8。

类似地，可以推导出：

假设，Execute阶段处于流水线中的第E阶段，每条指令是T个字节，那么

PC

= PC + N*T

= PC + (E - 1) * T

此处ARM7和ARM9：

Execute阶段都是第3阶段 ⇒ E=3

每条指令是4个字节 ⇒ T=4

所以：

PC

=PC + N* T

=PC + (3 -1 ) * 4

= PC + 8

	关于直接改变PC的值，会导致流水线清空的解释
	把PC的值直接赋值为0x20。而PC值更改，直接导致流水线的清空，即导致下一个cycle中的，对应的流水线中的其他几个步骤，包括接下来的同一个Cycle中的取指的工作被取消。在PC跳转到0x20的位置之后，流水线重新计算，重新一步步地按照流水线的逻辑，去一点点执行。当然要保证当前指令的执行完成，即执行之后，还有两个cycle，分别做的Memory和Write，会继续执行完成。