世界上有很多種體系結構的處理器，比較知名的處理器體系結構有：ARM、x86、RISC-V、mips、LoongArch、PowerPC等。不論是哪一種架構的處理器，其處理器核心都會自帶一定數量的寄存器，這些寄存器在處理器核心的運行過程中發揮著基礎而又重要的作用。

ARM體系結構是一種基于指令加載和存儲的體系結構。在這種體系結構下，所有的數據處理都需要在通用寄存器中完成，而不能直接在內存中完成。因此，這種體系結構的處理器核心處理數據的過程為：首先把待處理數據從內存加載到通用寄存器，然后進行處理，最后把結果寫入內存中。

通用寄存器

ARM架構提供了16個32位通用寄存器（R0-R15）用于軟件使用。其中R0-R12是普通寄存器，R13、R14和R15在程序的運行過程中通常用作固定的用途。

R13：又叫堆棧指針寄存器（Stack pointer）SP，SP通常用于保存堆棧地址，在使用入棧和出棧指令時，SP中的堆棧地址會自動的更新。堆棧主要用于保存局部變量，保存函數間調用的關鍵寄存器。對于根本不需要進行堆棧操作的程序，SP可以當做普通寄存器來存儲數據。

R14：又叫鏈接寄存器（Link register）LR，LR主要用于存放函數的返回地址，即當函數返回時，知道自己該回到哪兒去繼續運行。通常鏈接寄存器是和BL/BLX/CALL指令搭配使用，這幾個指令被調用后，默認會自動將當前調用指令的下一條指令地址保存到LR寄存器當中。

R15：又叫程序計數器（Program Counter）PC，PC主要用于存放CPU取指的地址。ARMv7架構同時支持ARM指令集和Thumb指令集。在ARM指令集中，當CPU正在執行A指令時，PC的值為當前指令A地址+8；在Thumb指令集中，由于Thumb指令集為16位，當CPU正在執行A指令時，PC的值為當前指令A地址+4。但是當手動向PC賦值時，CPU就會跳轉到賦值所代表的地址處去運行。記住PC存放的是取指地址，不是當前CPU運行地址。

備注：在ARM狀態下，PC指向的地址bit[1:0]總是為0，因此PC指向的地址都是4字節對齊。ARMv7架構的處理器支持混合編碼即同時支持ARM指令集和Thumb指令集，因此為了區分Thumb指令集和ARM指令集，ARM將PC指向地址的bit[0]位作為標志位。如果PC指向的地址bit[0]位為1，表示當前是Thumb指令集；如果PC指向的地址bit[0]位為0，表示當前是ARM指令集。

三級流水線

為了增加處理器指令流的速度，ARM使用了多級流水線技術。多級流水線技術是一種將指令的執行分解成多個步驟，并讓不同指令的各步驟重疊的一種準并行處理實現技術。經典的三級流水線結構將指令的執行分成取指，譯碼和執行這三個階段。

可以將指令的執行過程看成工廠加工產品的過程，當沒有采用流水線時只有一個工人A，工人A先對指令取指，然后對指令譯碼，最后執行指令，然后再次對指令取指周而復始。工人A在同一個時間只能干一件事，指令的執行也就只有等工人A對指令完成取指和譯碼之后才能進行。工廠老板一看，這產品的生產效率太低，就又請了工人B和工人C，現在工人A只負責取指，工人B只負責譯碼，工人C只負責執行，這樣三條流水線同時工作，每時每刻都有指令在被取指，譯碼和執行，產品的生產效率大大的提高了。三級流水線示意圖如下圖所示：

ARMv7-A架構學習_3級流水線

上圖是ARM指令集的三級流水線結構，每條指令的地址間隔為4字節，當CPU在t3時間段開始執行add r0,r1,#3指令時，PC的值為0x00000008，即PC此時指向cmp r0,#9指令處。記住PC存放的是取指地址，不是當前CPU運行地址。結合上圖對于Thumb指令集的PC值分析也是比較簡單的。

采用多級流水線技術后，并沒有加速單條指令的執行，每條指令的步驟并沒有減少，只是多條指令的不同操作步驟同時執行，因而從總體上看加快了指令流速度，縮短了程序執行時間。

審核編輯：湯梓紅