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嵌入式Linux——解密 ARM 性能优化：LDR 未命中时，为何 STR 还能“插队”？

news 2025/11/6 12:50:40

问题理解

ARM v6/v7 处理器会对以下指令顺序进行优化
```
LDR r0, [r1] ;
STR r2, [r3] ;
```
假如说第一条LDR指令导致缓存未命中，这样缓存就会填充行，并需要较多的时钟周期才能完成。老的ARM处理器会等待这个动作完成，再执行下一条STR指令。而ARM v6/v7 及以后处理器会识别出下一条指令(STR)且不需要等待第一条指令完成(并不依赖r0的值)，即先执行STR指令，而不是等待LDR指令完成。

什么叫缓存未命中

错误理解：为什么还能LDR指令缓存未命中，那没命中岂不是没能从内存拿到数据？
“缓存未命中” 不等于 “获取数据失败”
“缓存未命中” 等于 “在最快的地方（缓存）没找到，必须去下一级更慢的地方（内存）找”

“缓存未命中”时，CPU 的完整处理流程

这个流程是自动由硬件（CPU 和内存控制器）完成的，你的程序（LDR指令）不需要操心如何去做，只需要等待它完成。
下述流程先抛开多级缓存和指令顺序优化。

尝试在“办公桌”（L1 Cache）上寻找
- CPU 拿到地址 [r1]。
- 它首先在最快的存储——你的**办公桌（L1 缓存）**上，寻找这个地址的数据。
- 结果：没找到！这就是**“缓存未命中”（Cache Miss）**。
“那怎么办？” —— CPU 停顿 (Stall)
- 你的反应（CPU 停顿）：你（CPU）不能继续执行下一条指令 STR r2, [r3]，因为你必须先完成 LDR。
- 你“哎呀”一声，停下手中的工作，开始等待。
- 这就是“需要较多的时钟周期”的开始。 CPU 在原地空转，等待数据送达。
去“大书柜”（Main Memory / 内存）拿数据
- 因为办公桌（Cache）上没有，你（的内存控制器）只好站起来，走到**大书柜（主内存 RAM）**那里。
- 根据地址 [r1]，你在书柜中找到了那份文件（数据）。
- 数据肯定是在“书柜（内存）”里的。（如果连内存里都没有，那就是“缺页异常/Page Fault”，那是另一个更慢的故事了，但 LDR 指令本身假定数据在内存中）。
“缓存就会填充行”（Cache Line Fill）
- 这是最关键的一步！
- 你（CPU）非常聪明，你不会只把 r0 需要的那 4 个字节（假设是32位ARM）从书柜拿到办公桌。
- 你猜测：“既然我拿了这份文件，我待会儿很可能也会看它旁边的文件。”（这就是空间局部性原理）
- 于是，你把包含 [r1] 数据的一整“行”（比如一整个文件夹，技术上称为一个 Cache Line，例如 64 字节）全部从“书柜（内存）”搬运到了“办公桌（缓存）”上。
- 这个动作就叫做**“缓存填充行”（Cache Line Fill）**。
完成 LDR 指令
- 现在，数据已经成功地被你从“书柜（内存）”复制到了“办公桌（缓存）”上。
- CPU 再从“办公桌（缓存）”上，把 r0 真正需要的那 4 个字节的数据，抓取到“0号抽屉（r0 寄存器）”中。
- LDR r0, [r1] 指令终于完成。
CPU 恢复执行
- “等待”结束。
- CPU 继续执行下一条指令 STR r2, [r3]。

什么叫指令顺序优化

简单来说，就是 CPU 不严格按照你写的代码顺序来执行指令，而是在保证程序最终结果正确的前提下，打乱顺序，谁的条件先满足，谁就先执行，以此来“压榨”CPU的性能。
想象一下，你（CPU）早上起床做早餐，你的“指令列表”如下：
- 烧水（需要10分钟）
- 烤面包（需要3分钟）
- 从冰箱拿果酱（需要30秒）

场景一：老的ARM处理器（按序执行 In-Order Execution）
- 这种处理器是个“死脑筋”，它严格按照指令顺序来：
  - 执行烧水：打开水壶。
  - 等待：站在原地干等10分钟，直到水烧开。（这就像LDR缓存未命中，CPU在“停顿/Stall”）。
  - 执行烤面包：水烧开后，把面包放进烤面包机。
  - 等待：再等3分钟。
  - 执行拿果酱：面包烤好后，跑去冰箱拿果酱。
- 总耗时：10分钟 + 3分钟 + 30秒 = 13.5 分钟。效率极低！
场景二：ARM v6/v7 处理器（乱序执行 Out-of-Order Execution）
- 这种处理器非常聪明，它会“预读”整个指令列表，并分析它们之间的依赖关系：
- 烤面包需要依赖烧水吗？不需要。
- 拿果酱需要依赖烧水或烤面包吗？也不需要。
- 于是，它的执行流程变成：
  - 执行烧水：打开水壶。（这是一个耗时操作，CPU知道它需要等，于是把它丢给“水壶”去处理）。
  - 立即执行烤面包：在水壶烧水的同时，把面包放进烤面包机。（这就是你例子中的 STR 指令）。
  - 立即执行拿果酱：在水壶烧水和面包机烤面包的同时，跑去冰箱拿果酱。
  - 等待：现在，所有能“偷跑”的指令都执行了，CPU只需等待最长的那个任务（烧水）完成即可。
- 总耗时：取决于最长的那个任务 = 10 分钟。效率极高！