Linux内核26-ARM的WFI和WFE指令

1 前言

今天在理解读写自旋锁的实现的时候，看到了WFE指令，对其不理解。通过调查，弄清楚了它的来龙去脉，记录一下。在此，还要特别感谢窝窝科技的这篇文章【ARM WFI和WFE指令】，让我茅塞断开。

WFI(Wait for interrupt)和WFE(Wait for event)是两个让ARM核进入低功耗待机模式的指令，由ARM架构规范定义，由ARM核实现。

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)设置为低功耗待机状态”。 需要说明的是，ARM架构并没有规定“低功耗待机状态”的具体形式。因而，可以由IP核自由发挥，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核会立即进入低功耗待机模式，直到有WFI唤醒事件发生。 而WFE则稍微不同，执行WFE指令后，根据事件寄存器（一个单bit的寄存器，每个PE一个）的状态，有两种情况：如果事件寄存器为1，该指令会把它清零，然后执行完成（不会standby）；如果事件寄存器为0，和WFI类似，进入低功耗待机模式，直到有WFE唤醒事件发生。 WFI唤醒事件和WFE唤醒事件可以分别让ARM核从WFI和WFE状态唤醒，这两类事件大部分相同，如任意的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，就是一个用来改变事件寄存器的指令，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cpu空闲时。
• 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核之间，保护共享资源。使用WFE的流程是：
  1. CPU核1访问资源，申请lock，获得资源。
  2. CPU核2访问资源，此时资源不空闲，执行WFE指令，让CPU核进入低功耗待机模式。
  3. CPU核1释放资源，释放lock，释放资源，同时执行SEV指令，唤醒核2。
  4. CPU核2申请lock，获得资源。

我们在学习spinlock的时候，已经知道，当申请lock失败的时候，CPU核会进入忙等待，比如著名的x86架构。而ARM本身就是低功耗处理器的代名词，所以通过在申请lock的过程中，插入WFE指令，可以节省一点功耗，充分将低功耗设计发挥到了极致。

4 补充

当没有获取spinlock的时候，CPU核会调用wfe，等待其他cpu使用sev来唤醒自己。

在ARM64中，arch_spin_unlock并没有显示的调用sev来唤醒其他cpu，而是通过stlr指令完成的。在ARM ARM文档中有说：在执行store操作的时候，如果要操作的地址被标记为exclusive的，那么global monitor的状态会从exclusive access变成open access，同时会触发一个事件，唤醒wfe中的cpu。