【转】ARM获得PC指针为何PC=PC+8[下]（转）

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2.为何ARM9和ARM7一样，也是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：

图表 26 ARM7三级流水线 vs ARM9五级流水线

图表 27 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：

图表 28 ARM9的五级流水线示例

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：

1. 00000000 <_start>:
   
2.    0:   ea000014   b   58
   
3.    4:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 20 <_undefined_instruction>
   
4.    8:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 24 <_software_interrupt>
   
5.    c:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 28 <_prefetch_abort>
   
6.   10:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 2c <_data_abort>
   
7.   14:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 30 <_not_used>
   
8.   18:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 34 <_irq>
   
9.   1c:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 38 <_fiq>
   
10. 
    
11. 00000020 <_undefined_instruction>:
    
12.   20:   00000120   .word  0x00000120

复制代码

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。

指令周期Cycle1

（1）取指：

PC总是指向将要读取的指令的地址（即我们常说的，指向下一条指令的地址），而当前PC=4，

所以去取物理地址为4对对应的指令“ldr pc, [pc, #20]”，其对应二进制代码为e59ff014。

此处取指完之后，自动更新PC的值，即PC=PC+4（单个指令占4字节，所以加4）=4+4=8

指令周期Cycle2

（1）译指：翻译指令e59ff014；

（2）同时再去取指：

PC总是指向将要读取的指令的地址（即我们常说的，指向下一条指令的地址），而当前PC=8，

所以去物理地址为8所对应的指令“ldr pc, [pc, #20]” 其对应二进制代码为e59ff014。

此处取指完之后，自动更新PC的值，即PC=PC+4=8+4=12=0xc

指令周期Cycle3

（1）执行（指令）：执行“e59ff014”，即“ldr pc,[pc, #20]”所对表达的含义，即

PC

= PC + 20

= 12 + 20

= 32

= 0x20

此处，只是计算出待会要赋值给PC的值是0x20，这个0x20还只是放在执行单元中内部的缓冲中。

（2）译指：翻译e59ff014。

（3）取指：

此步骤由于是和上面（1）中的执行同步做的，所以，未受到影响，继续取指，而取指的那一时刻，PC为上一Cycle

更新后的值，即PC=0xc，所以是去取物理地址为0xc所对应的指令” ldr pc, [pc, #20]”，对应二进制为e59ff014。

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。

【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。