3.4爲何ARM7中PC=PC+8
此處解釋爲何ARM7中，CPU地址，即PC，爲何有PC=PC+8這一說法：
衆所周知，AMR7，是三級流水線，其細節見圖：
圖 3.1. AMR7三級流水線
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首先，對於ARM7對應的流水線的執行情況，如下面這個圖所示：
圖 3.2. ARM7三級流水線狀態
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然後對於三級流水線舉例如下：
圖 3.3. ARM7三級流水線示例
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從上圖，其實很容易看出，第一條指令：
add r0, r1,$5
執行的時候，此時PC已經指向第三條指令：
cmp r2,#3
的地址了，所以，是PC=PC+8.
3.4.1. 爲何ARM9和ARM7一樣，也是PC=PC+8
ARM7的三條流水線，PC=PC+8，很好理解，但是AMR9中，是五級流水線，爲何還是PC=PC+8，而不是
PC
=PC+(5-1)*4
=PC + 16，
呢？
下面就需要好好解釋一番了。
具體解釋之前，先貼上ARM7和ARM9的流水線的區別和聯繫：
圖 3.4. ARM7三級流水線 vs ARM9五級流水線
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圖 3.5. ARM7三級流水線到ARM9五級流水線的映射
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下面開始對爲何ARM9也是PC=PC+8進行解釋。
先列出ARM9的五級流水線的示例：
圖 3.6. ARM9的五級流水線示例
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舉例分析爲何PC=PC+8
然後我們以下面uboot中的start.S的最開始的彙編代碼爲例來進行解釋：
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
下面對每一個指令週期，CPU做了哪些事情，分別詳細進行闡述：
在看下面具體解釋之前，有一句話要牢記，那就是：
PC不是指向你正在運行的指令，而是
PC始終指向你要取的指令的地址
認識清楚了這個前提，後面的舉例講解，就容易懂了。
- 指令週期Cycle1
- 取指
PC總是指向將要讀取的指令的地址（即我們常說的，指向下一條指令的地址），而當前PC=4，
所以去取物理地址爲4對對應的指令
ldr pc, [pc, #20]其對應二進制代碼爲e59ff014。
此處取指完之後，自動更新PC的值，即PC=PC+4（單個指令佔4字節，所以加4）=4+4=8
- 取指
- 指令週期Cycle2
- 譯指
翻譯指令e59ff014
- 同時再去取指
PC總是指向將要讀取的指令的地址（即我們常說的，指向下一條指令的地址），而當前PC=8，
所以去物理地址爲8所對應的指令“ldr pc, [pc, #20]” 其對應二進制代碼爲e59ff014。
此處取指完之後，自動更新PC的值，即PC=PC+4=8+4=12=0xc
- 譯指
- 指令週期Cycle3
- 執行（指令）
執行“e59ff014”，即
ldr pc, [pc, #20]所對錶達的含義，即PC
= PC + 20
= 12 + 20
= 32
= 0x20
此處，只是計算出待會要賦值給PC的值是0x20，這個0x20還只是放在執行單元中內部的緩衝中。
- 譯指
翻譯e59ff014
- 取指
此步驟由於是和上面（1）中的執行同步做的，所以，未受到影響，繼續取指，而取指的那一時刻，PC爲上一Cycle更新後的值，即PC=0xc，所以是去取物理地址爲0xc所對應的指令
ldr pc, [pc, #20]對應二進制爲e59ff014
- 執行（指令）
其實，分析到這裏，大家就可以看出：
在Cycle3的時候，PC的值，剛好已經在Cycle1和Cycle2，分別加了4，所以Cycle3的時候，PC=PC+8，而同樣道理，對於任何一條指令的，都是在Cycle3，指令的Execute執行階段，如果用到PC的值，那麼PC那一時刻，就是PC=PC+8。
所以，此處雖然是五級流水線，但是卻不是PC=PC+16，而是PC=PC+8。
進一步地，我們發現，其實PC=PC+N的N，是和指令的執行階段所處於流水線的深度有關，即此處指令的執行Execute階段，是五級流水線中的第三個，而這個第三階段的Execute和指令的第一個階段的Fetch取指，相差的值是 3 -1 =2，即兩個CPU的Cycle，而每個Cycle都會導致PC=+PC+4，所以，指令到了Execute階段，纔會發現，此時PC已經變成PC=PC+8了。
回過頭來反觀ARM7的三級流水線，也是同樣的道理，指令的Execute執行階段，是處於指令的第三個階段，同理，在指令計算數據的時候，如果用到PC，就會發現此時PC=PC+8。
同理，假如ARM9的五級流水線，把指令的Execute執行階段，設計在了第四個階段，那麼就是PC=PC+（第4階段-1）*4個字節 = PC= PC+12了。
用圖來說明PC=PC+8個過程
對於上面的文字的分析過程，可能看起來不是太容易理解，所以，下面這裏通過圖表來表示具體的流程，就更容易看懂了。其中，下圖，是以ARM9的五級流水線的內部架構圖爲基礎，而編輯的出來用於說明爲何ARM9的五級流水線，也是PC=PC+8：
圖 3.7. ARM9的五級流水線中爲何PC=PC+8
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對於上圖中的，第一個指令在執行的時候，是使用到了PC的值，其實，我們可以看到，
對於指令在執行中，不論是否用到PC的值，PC都會按照既定邏輯，沒一個cycle，自動增加4的，套用《非誠勿擾2》中的經典對白，即爲：
你（指令執行的時候）用，
或者不用，
PC就在那裏，
自動增4
所以，經過兩個cycle的增4，就到了指令執行的時候，此時PC已經增加了8了，即使你指令執行的時候，沒有用到PC的值，其也還是已經加了8了。而一般來說，大多數的指令，肯定也都是沒有用到PC的，但是其實任何指令執行的那一時刻，也已經是PC=PC+8，而多數指令沒有用到，所以很多人沒有注意到這點罷了。
![[提示]](https://pic1.xuehuaimg.com/proxy/csdn/http://www.crifan.com/files/res/docbook/images/tip.png) |
PC（execute）=PC（fetch）+ 8 |
|---|---|
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對於PC=PC+8中的兩個PC，其實含義不完全一樣.其更準確的表達，應該是這樣： PC（execute）=PC（fetch）+ 8 其中： PC（fetch）：當前正在執行的指令，就是之前取該指令時候的PC的值 PC（execute）：當前指令執行的計算中，如果用到PC，則此時PC的值。 |
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不同階段的PC值的關係 |
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對應地，在ARM7的三級流水線（取指，譯指，執行）和ARM9的五級流水線（取指，譯指，執行，存儲，寫回）中，可以這麼說： PC， 總是指向當前正在被取指的指令的地址， PC-4，總是指向當前正在被譯指的指令的地址， PC-8，總是指向當前的那條指令，即我們一般說的，正在被執行的指令的地址。 |
【總結】
ARM7的三級流水線，PC=PC+8，
ARM9的五級流水線，也是PC=PC+8，
根本的原因是，兩者的流水線設計中，指令的Execute執行階段，都是處於流水線的第三級。
所以使得PC=PC+8。
類似地，可以推導出：
假設，Execute階段處於流水線中的第E階段，每條指令是T個字節，那麼
PC
= PC + N*T
= PC + (E - 1) * T
此處ARM7和ARM9：
Execute階段都是第3階段 ⇒ E=3
每條指令是4個字節 ⇒ T=4
所以：
PC
=PC + N* T
=PC + (3 -1 ) * 4
= PC + 8
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關於直接改變PC的值，會導致流水線清空的解釋 |
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把PC的值直接賦值爲0x20。而PC值更改，直接導致流水線的清空，即導致下一個cycle中的，對應的流水線中的其他幾個步驟，包括接下來的同一個Cycle中的取指的工作被取消。在PC跳轉到0x20的位置之後，流水線重新計算，重新一步步地按照流水線的邏輯，去一點點執行。當然要保證當前指令的執行完成，即執行之後，還有兩個cycle，分別做的Memory和Write，會繼續執行完成。
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