sparc体系架构的窗口寄存器的深入理解

sparc体系架构的窗口寄存器的深入理解

• 1.概述
• 2.窗口寄存器的特性
• 3.程序的设计
• 4.sparc设计对于嵌入式编程的优劣

1.概述

sparc这种架构有着特殊的窗口寄存器，使用sparc芯片，一定会对这种窗口寄存器产生疑惑，然而这种硬件特性却让软件设计有着更加独特的方式。下面来描述一下sparc架构中这种串口寄存器的特性以及编程模型。

采用窗口寄存器，可以减少函数调用过程中返回时间，因为通过硬件进行压栈操作时，可以减少指令条数以及减少访问存储器的次数。

窗口寄存器的本质是每当执行一次函数调用过程时，寄存器窗口会自动的指向下一个窗口，当子程序返回时，也不需要额外的出栈操作，只是将窗口偏移到上个寄存器即可。

而两个相邻的窗口则有重叠部分，可以对两个父子函数之间进行参数传递，这样大大的提高了访问的效率以及寄存器的专一性。

2.窗口寄存器的特性

当在实际的程序中使用时，往往会涉及到多个函数的嵌套，这些在复杂程序设计上非常的普遍，业务逻辑的增加会显著的增加函数调用的深度。如果函数调用超过了这些8个窗口，sparc架构又是该如何处理呢？

在sparc的架构中，CWP(当前窗口指针)是PSR（程序状态寄存器）的一部分，在某一固定的时刻，处理器中都只会有32个整数寄存器可以被使用。这32个寄存器为8个全局寄存器、8个返回结果寄存器、8个局部寄存器、8个输入寄存器。CWP通常会因SAVE指令（SAVE指令一般在过程调用时使用，用来开辟新的栈帧并切换寄存器窗口）而减一，因RESTORE指令（在从过程中返回前切换回调用者的寄存器窗口）而加一，陷阱事件（中断，异常或TRAP指令）和RETT指令（从陷阱中返回）也会改变CWP，不过函数调用比陷阱更为常见。

窗口无效掩码（WIM） WIM指示了哪个窗口是无效的，无效的意思是该窗口保存了调用者的信息所以不可再使用，上图中，WIM指向w7，而CWP指向w0，所以现在如果执行一条SAVE指令，则会触发窗口溢出陷阱，反之，如果CWP指向w0且又执行了一条RESTORE指令，则会触发窗口下溢陷阱。

所谓的窗口下溢则是说当前窗口不够用了，需要将已经满了的窗口寄存器的数据压入到栈上，也就是内存中，压入后的窗口寄存器又可以重新利用起来了，而上个满了的窗口寄存器则存在内存中了。当函数返回到窗口无效寄存器时，则发生上溢陷阱，该陷阱中会执行出栈的操作，从而将寄存器进行恢复。

3.程序的设计

对于C语言来说，并不用关注架构的不同带来的差异性，而对于汇编来说，则设计却是完全的不同。GCC已经处理好了C转换成汇编的逻辑。

每个save指令都是在被调用的函数的第一条指令处开始执行。而SAVE的指令与ADD的指令相同，其功能是可以将sparcCWP减一。让CWP-1窗口成为新的当前的窗口。

当函数执行完成后，则执行restore指令，让窗口指令加一。窗口就回归原位了。

4.sparc设计对于嵌入式编程的优劣

对于嵌入式来说，如果只设计可控的程序，逻辑设计上尽可能的单一可控，并且最好函数的嵌套深度不应该超过8个，最好不发生上溢或者下溢操作。这样不用访问存储器，并且底层的指令很少，对于程序的执行效率很有保障。有上溢或者下溢，一次性就需要压栈或者出栈操作，使得其程序的执行效率不在那么高效。

而对于rtos来说，设计上也稍微复杂了一些，需要不仅需要判断当前窗口的溢出情况，还需要保存窗口寄存器的栈，这样对于系统上下文的线程栈需要的空间消耗是非常大的。目前也没有想到合适方式去减少栈的消耗，而且在rtos上，sparc架构所占的优势并不是很明显，以上仅仅是我对这种架构在嵌入式上使用的一些看法。

总结起来，sparc架构的好处是由于有了窗口寄存器模型，如果程序设计的优秀简单，这个是非常好的，效率也可以非常高，简洁的寄存器、简洁的控制状态，需要编程人员要有很高的水平。缺点就是不考虑sparc架构的编程方式，将会使得程序的效率非常的低下，sparc芯片的使用也变得十分的困难。