ARM WFI和WFE指令

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1.基本介绍

ARM有两条和低功耗相关的指令: WFI和WFE。WFI全称是Wait For Interrupt,WFE全称是Wait For Event。这两条指令统称为WFx,可以让ARM核进入low-power standby模式,由ARM架构定义,由ARM core实现,使用时不需要带任何参数。

ARM架构并没有规定“low-power standby state”的具体形式,可以由ARM core自定义实现,根据ARM的建议,一般可以实现为standby(关闭clock、保持供电)、dormant、shutdown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。

接下来了解一下ARM处理器进入低功耗状态的机制。当一个处理器核的工作负载不高时,可以通过降压降频(DVFS)的方式来让处理器运行在较低频率,从而降低芯片功耗。如果处理器没有工作负载,完全空闲下来,这时就需要让处理器进入更低的功耗模式。

CPU进入空闲状态的大概顺序如下:

应用处理器(Application Processor)判断是否具备进入空闲状态的条件,如果满足条件则进行一些准备工作;发消息给系统控制器(System control processor);等待全部操作执行完;执行WFI进入空闲状态;等待系统控制器做出下一步动作,或者关闭时钟,或者关闭电源等等。

从WFI的名字可以看出,唤醒(wake up)处理器的一个机制就是发送中断给处理器(也有一些其他的机制)。GIC中断控制器接收到中断后,产生唤醒信号给系统控制器或者是电源管理模块(Power Management Unit),系统控制器或者PMU根据处理器核的状态以及系统状态,决定下一步的动作。

WFE与WFI类似,只不过等待的是事件,也就是说系统可以通过发送事件来唤醒CPU核。WFE的一个典型应用场景是自旋锁spinlock。当多个核竞争同一个临界区资源时,只有一个核能获得权限,其它的核需要等待临界区资源被释放,也就是这些核“自旋”。当然操作系统也可以采取其它的处理方式,比如把时间片分给其它的应用程序。显然,应用处理器简单的“自旋”对于功耗不友好,一个解决办法就是让这些“自旋”的核进入低功耗模式,获得临界区资源的核在完成当前进程后,唤醒这些核去重新竞争临界区资源。这时的唤醒机制不宜采取中断方式,因为效率不高。ARM采用的是事件方式,即通过执行SEV(Send Event)指令向其它应用处理器发送唤醒的事件。

WFI和WFE还有一种变体形式,WFIT和WFET,其中的T是超时(timeout)的意思,也就是说,唤醒机制多了一种超时的方式,没有中断或者事件产生,时间到了也会发出唤醒。

2.不同点

WFE状态的唤醒事件比WFI多了一个SEV指令(Send Event),也就是说WFE还会受控于一个1bit event register,此寄存器软件不可访问。此功能时为多核而准备的。WFE在event register为0,或为1时,其功能是不一样的。WFE的E就是指这个事件寄存器。

进一步描述:

假设两个核,分别为core1和core2,

A、core1可以执行SEV指令更改event register,同时它可以通过TXEV硬连接到core2的RXEV更改core2的event register。
B、core1在执行WFE时,如果发现event register=1,它是不会进低功耗的,这里就是区别。

基于以上描述WFE是多核低功耗用的,举个例子:当core1和core2抢同一个资源A时,core1占据A,那core2就WFE进低功耗,等待core1的SEV发过来。

SEV指令是一个用来改变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。

3.使用场景

1)WFI

WFI一般用于cpu idle。

在ARM64架构中,当CPU Idle时,会调用WFI指令,关掉CPU的Clock以便降低功耗。

2)WFE

WFE的典型使用场景是在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:

1. 资源空闲
2. Core1访问资源,acquire lock,获得资源
3. Core2访问资源,此时资源不空闲,执行WFE指令,让core进入low-power state
4. Core1释放资源,release lock,释放资源,同时执行SEV指令,唤醒Core2
5. Core2获得资源
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