ARM WFI和WFE指令

1. 前言

蝸蝸很早以前就知道有WFI和WFE這兩個(gè)指令存在，但一直似懂非懂。最近準(zhǔn)備研究CPU idle framework，由于WFI是讓CPU進(jìn)入idle狀態(tài)的一種方法，就下決心把它們弄清楚。

WFI(Wait for interrupt)和WFE(Wait for event)是兩個(gè)讓ARM核進(jìn)入low-power standby模式的指令，由ARM architecture定義，由ARM core實(shí)現(xiàn)。聽著挺簡單，但怎么會(huì)有兩個(gè)指令？它們的區(qū)別是什么？使用場景是什么？深究起來，還挺有意思，例如：能想象WFE和spinlock的關(guān)系嗎？

2. WFI和WFE

1）共同點(diǎn)

WFI和WFE的功能非常類似，以ARMv8-A為例（參考DDI0487A_d_armv8_arm.pdf的描述），主要是“將ARMv8-A PE(Processing Element, 處理單元)設(shè)置為low-power standby state”。

需要說明的是，ARM architecture并沒有規(guī)定“l(fā)ow-power standby state”的具體形式，因而可以由ARM core自行發(fā)揮，根據(jù)ARM的建議，一般可以實(shí)現(xiàn)為standby（關(guān)閉clock、保持供電）、dormant、shutdown等等。但有個(gè)原則，不能造成內(nèi)存一致性的問題。以Cortex-A57 ARM core為例，它把WFI和WFE實(shí)現(xiàn)為“put the core in a low-power state by disabling the clocks in the core while keeping the core powered up”，即我們通常所說的standby模式，保持供電，關(guān)閉clock。

2）不同點(diǎn)

那它們的區(qū)別體現(xiàn)在哪呢？主要體現(xiàn)進(jìn)入和退出的方式上。

對WFI來說，執(zhí)行WFI指令后，ARM core會(huì)立即進(jìn)入low-power standby state，直到有WFI Wakeup events發(fā)生。

而WFE則稍微不同，執(zhí)行WFE指令后，根據(jù)Event Register（一個(gè)單bit的寄存器，每個(gè)PE一個(gè)）的狀態(tài)，有兩種情況：如果Event Register為1，該指令會(huì)把它清零，然后執(zhí)行完成（不會(huì)standby）；如果Event Register為0，和WFI類似，進(jìn)入low-power standby state，直到有WFE Wakeup events發(fā)生。

WFI wakeup event和WFE wakeup event可以分別讓Core從WFI和WFE狀態(tài)喚醒，這兩類Event大部分相同，如任何的IRQ中斷、FIQ中斷等等，一些細(xì)微的差別，可以參考“DDI0487A_d_armv8_arm.pdf“的描述。而最大的不同是，WFE可以被任何PE上執(zhí)行的SEV指令喚醒。

所謂的SEV指令，就是一個(gè)用來改變Event Register的指令，有兩個(gè)：SEV會(huì)修改所有PE上的寄存器；SEVL，只修改本PE的寄存器值。下面讓我們看看WFE這種特殊設(shè)計(jì)的使用場景。

3. 使用場景

1）WFI

WFI一般用于cpuidle。

2）WFE

WFE的一個(gè)典型使用場景，是用在spinlock中（可參考arch_spin_lock，對arm64來說，位于arm64/include/asm/spinlock.h中）。spinlock的功能，是在不同CPU core之間，保護(hù)共享資源。使用WFE的流程是：

a）資源空閑

b）Core1訪問資源，acquire lock，獲得資源

c）Core2訪問資源，此時(shí)資源不空閑，執(zhí)行WFE指令，讓core進(jìn)入low-power state

d）Core1釋放資源，release lock，釋放資源，同時(shí)執(zhí)行SEV指令，喚醒Core2

e）Core2獲得資源

以往的spinlock，在獲得不到資源時(shí)，讓Core進(jìn)入busy loop，而通過插入WFE指令，可以節(jié)省功耗，也算是因禍（損失了性能）得福（降低了功耗）吧。