arm汇编指令WFI和WFE

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1. 前言

很早以前就知道有WFI和WFE这两个指令存在,但一直似懂非懂。最近准备研究CPU idle framework,由于WFI是让CPU进入idle状态的一种方法,就下决心把它们弄清楚。

WFI(Wait for interrupt)和WFE(Wait for event)是两个让ARM核进入low-power standby模式的指令,由ARM architecture定义,由ARM core实现。听着挺简单,但怎么会有两个指令?它们的区别是什么?使用场景是什么?深究起来,还挺有意思,示例:能想象WFE和spinlock的关系吗?

2. WFI和WFE

1)共同点

WFI和WFE的功能非常类似,以ARMv8-A为例(参考DDI0487A_d_armv8_arm.pdf的描述),主要是“将ARMv8-A PE(Processing Element, 处理单元)设置为low-power standby state”。

需要说明的是,ARM architecture并没有规定“low-power standby state”的具体形式,因而可以由ARM core自行发挥,根据ARM的建议,一般可以实现为standby(关闭clock、保持供电)、dormant、shutdown等等。但有个原则,不能造成内存一致性的问题。以 Cortex-A57 ARM
core为例,它把WFI和WFE实现为“put the core in a low-power state by disabling the clocks in the core while keeping the core powered up”,即我们通常所说的standby模式,保持供电,关闭clock。

2)不同点

那它们的区别体现在哪呢?主要体现进入和退出的方式上。

对WFI来说,执行WFI指令后,ARM core会立即进入low-power standby state,直到有WFI Wakeup events发生。

而WFE则稍微不同,执行WFE指令后,根据Event Register(一个单bit的寄存器,每个PE一个)的状态,有两种情况:如果Event Register为1,该指令会把它清零,然后执行完成(不会standby);如果Event Register为0,和WFI类似,进入low-power standby state,直到有WFE Wakeup events发生。

WFI wakeup event和WFE wakeup event可以分别让Core从WFI和WFE状态唤醒,这两类Event大部分相同,如任何的IRQ中断、FIQ中断等等,一些细微的差别,可以参考“DDI0487A_d_armv8_arm.pdf“的描述。而最大的不同是,WFE可以被任何PE上执行的SEV指令唤醒。

所谓的SEV指令,就是一个用来改变Event Register的指令,有两个:SEV会修改所有PE上的寄存器;SEVL,只修改本PE的寄存器值。下面让我们看看WFE这种特殊设计的使用场景。

3. 使用场景

1)WFI

WFI一般用于cpuidle。

2)WFE

WFE的一个典型使用场景,是用在spinlock中(可参考arch_spin_lock,对arm64来说,位于arm64/include/asm/spinlock.h中)。spinlock的功能,是在不同CPU core之间,保护共享资源。使用WFE的流程是:

a)资源空闲

b)Core1访问资源,acquire lock,获得资源

c)Core2访问资源,此时资源不空闲,执行WFE指令,让core进入low-power state

d)Core1释放资源,release lock,释放资源,同时执行SEV指令,唤醒Core2

e)Core2获得资源

以往的spinlock,在获得不到资源时,让Core进入busy loop,而通过插入WFE指令,可以节省功耗,也算是因祸(损失了性能)得福(降低了功耗)吧。