为何ARM7中PC=PC+8, 为何ARM9和ARM7一样，也是PC=PC+8

crifan

1.为何ARM7中PC=PC+8

此处解释为何ARM7中，CPU地址，即PC，为何有PC=PC+8这一说法：

众所周知，AMR7，是三级流水线，其细节见图：

图表 23 AMR7三级流水线

首先，对于ARM7对应的流水线的执行情况，如下面这个图所示：

ARM7

图表 24 ARM7三级流水线状态

然后对于三级流水线举例如下：

图表 25 ARM7三级流水线示例

从上图，其实很容易看出，第一条指令：

add r0, r1,$5

执行的时候，此时PC已经指向第三条指令：

cmp r2,#3

的地址了，所以，是PC=PC+8.

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. 
   
2. 00000000 <_start>:
   
3.    0:   ea000014   b   58 <reset>
   
4.    4:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 20 <_undefined_instruction>
   
5.    8:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 24 <_software_interrupt>
   
6.    c:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 28 <_prefetch_abort>
   
7.   10:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 2c <_data_abort>
   
8.   14:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 30 <_not_used>
   
9.   18:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 34 <_irq>
   
10.   1c:   e59ff014   ldr pc, [pc, #20] ; 38 <_fiq>
    
11. 
    
12. 00000020 <_undefined_instruction>:
    
13.   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。

【相关资料】

ARM流水线和program counter(PC)的增量

http://hi.baidu.com/istry/blog/item/f823e1438de0a71972f05d0f.html

最后附上ARM9的五级流水线的内置执行结构的细节：

图表 29 ARM9五级流水线的执行机构的细节

amarant

呵呵，講的很好啊，我覺得有必要把PC=PC+8這前後兩個PC都解釋下

alvininha

楼主的写得很好，
但我觉得这个PC=PC+8 会让人混淆， 按我的理解， 应该为 PC=当前执行指令的地址+8 才能准确表示出这一机制，
我虽然理解这一机制，但不能理解为什么 "PC"+8, 而不是"当前执行指令的地址"+8, 难道“当前执行指令的地址” = “PC” 么？

crifan

回复 3# alvininha


    “但我觉得这个PC=PC+8 会让人混淆， 按我的理解， 应该为 PC=当前执行指令的地址+8 才能准确表示出这一机制，”
同意。

“我虽然理解这一机制，但不能理解为什么 "PC"+8, 而不是"当前执行指令的地址"+8, 难道“当前执行指令的地址” = “PC” 么？”
之所以有PC=PC+8的说法，我的感觉，好像是为了解释，为何那些地址无关的指令，比如adr等指令，被翻译成真正的汇编，用PC+某个偏移量来表示要跳转到对应的地址，其中那个偏移量，和我们所期望的值，少了8，所以才会有PC=PC+8.
而这句话的真正的含义，如你所说，是“PC=当前执行指令的地址+8”，实际上用：
http://blog.csdn.net/hamilton1/archive/2011/02/18/6192722.aspx
中的解释，更加清晰：“PC（excute）=PC（fetch）+8"。

当前正在执行的指令，其之前取值时候的PC的值，就是PC（fetch）
而当前指令执行的计算中，如果用到PC，而此刻PC的值是PC（excute）
两者的关系就是PC（execute）=PC（fetch） + 8

对于我们程序员来说，一般情况下，写C语言，不需要关心这些细节。
写汇编的话，貌似一般也用不到，只是用到adr等指令，其会被编译器自动翻译成正确的值。
我们要做的事情，就是在看汇编的adr等指令被编译成对应的汇编的时候，知道为何PC加上那个偏移量，和原以为的值，相差一个8，即可。

【总结】
搞懂PC=PC+8背后的逻辑，说白了，只是为了看懂汇编代码。
实际编程候总，貌似很少用得到，很少需要编程者关心此细节。

crifan

多添一句，之前就看过的，在这里又看到的：
http://stackoverflow.com/questio ... our-of-ldr-pc-value
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：
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。

crifan

系统字数限制，无法发表在原帖子里面，只好贴在这里了：

------------------------------------------------------------------------

【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：

图表 31 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。