ARM WFI和WFE指令

1. 前言

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

WFI(Wait for interrupt)和WFE(Wait for event)是兩個讓ARM核進入low-power standby模式的指令，由ARM architecture定義，由ARM core實現。聽著挺簡單，但怎么會有兩個指令？它們的區別是什么？使用場景是什么？深究起來，還挺有意思，例如：能想象WFE和spinlock的關系嗎？

2. WFI和WFE

1）共同點

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)設置為low-power standby state”。

需要說明的是，ARM architecture并沒有規定“low-power standby state”的具體形式，因而可以由ARM core自行發揮，根據ARM的建議，一般可以實現為standby（關閉clock、保持供電）、dormant、shutdown等等。但有個原則，不能造成內存一致性的問題。以Cortex-A57 ARM core為例，它把WFI和WFE實現為“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，關閉clock。

2）不同點

那它們的區別體現在哪呢？主要體現進入和退出的方式上。

對WFI來說，執行WFI指令后，ARM core會立即進入low-power standby state，直到有WFI Wakeup events發生。

而WFE則稍微不同，執行WFE指令后，根據Event Register（一個單bit的寄存器，每個PE一個）的狀態，有兩種情況：如果Event Register為1，該指令會把它清零，然后執行完成（不會standby）；如果Event Register為0，和WFI類似，進入low-power standby state，直到有WFE Wakeup events發生。

WFI wakeup event和WFE wakeup event可以分別讓Core從WFI和WFE狀態喚醒，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上執行的SEV指令喚醒。

所謂的SEV指令，就是一個用來改變Event Register的指令，有兩個：SEV會修改所有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這種特殊設計的使用場景。

3. 使用場景

1）WFI

WFI一般用于cpuidle。

2）WFE

WFE的一個典型使用場景，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，此時資源不空閑，執行WFE指令，讓core進入low-power state

d）Core1釋放資源，release lock，釋放資源，同時執行SEV指令，喚醒Core2

e）Core2獲得資源

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