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，由於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。聽着挺簡單，但怎麼會有兩個指令？它們的區別是什麼？使用場景是什麼？深究起來，還挺有意思，例如：能想象WFE和spinlock的關係嗎？
2. WFI和WFE
1）共同點
WFI和WFE的功能非常類似，以ARMv8-A爲例（參考DDI0487A_d_armv8_arm.pdf的描述），主要是“將ARMv8-A PE(Processing Element, 處理單元)設置爲low-power standby state”。
需要說明的是，ARM architecture並沒有規定“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，一般可以實現爲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爲例，它把WFI和WFE實現爲“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指令後，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指令後，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爲1，該指令會把它清零，然後執行完成（不會standby）；如果Event Register爲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一般用於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，位於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）資源空閒
b）Core1訪問資源，acquire lock，獲得資源
c）Core2訪問資源，此時資源不空閒，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。
轉自。蝸窩科技，www.wowotech.net。
評論：
2015-11-17 11:32
2015-11-17 13:45
請教linuxer，ldaxrh讓CPU進入低功耗嗎？如果不會，現在僅僅用了busy loop的方式。
2015-11-17 14:11
{
unsigned int tmp;
asm volatile(
" sevl\n"
"1: wfe\n"
"2: ldaxr %w0, %1\n"
" cbnz %w0, 1b\n"
" stxr %w0, %w2, %1\n"
" cbnz %w0, 2b\n"
: "=&r" (tmp), "+Q" (lock->lock)
: "r" (1)
: "cc", "memory");
}
static inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{
asm volatile(
" stlr %w1, %0\n"
: "=Q" (lock->lock) : "r" (0) : "memory");
}
我的 linux kernel 3.10.61，是有用到 wfe 的。
2015-11-17 15:05
http://www.wowotech.net/kernel_synchronization/spinlock.html
在ARM64中，arch_spin_unlock並沒有顯示的調用sev來喚醒其他cpu，而是通過stlr指令完成的。在ARM ARM文檔中有說：在執行store操作的時候，如果要操作的地址被標記爲exclusive的，那麼global monitor的狀態會從exclusive access變成open access，同時會觸發一個事件，喚醒wfe中的cpu。
2015-11-17 15:42
@堅持到底：抱歉誤導您了啊，好在有大神在，哈哈。
2015-11-17 15:54
The ARMv8 architecture adds the acquire and release semantics to Load-Exclusive and Store-Exclusive instructions, which allows them to gain ordering acquire and/or release semantics.
The Load-Exclusive instruction can be specified to have acquire semantics, and the Store-Exclusive instruction can be specified to have release semantics. These can be arbitrarily combined to allow the atomic update created by a successful Load-Exclusive and Store-Exclusive pair to have any of:
?
No Ordering semantics (using LDREX and STREX).
?
Acquire only semantics (using LDAEX and STREX).
?
Release only semantics (using LDREX and STLEX).
?
Sequentially consistent semantics (using LDAEX and STLEX).
In addition, the ARMv8 specification requires that the clearing of a global monitor will generate an event for the PE associated with the global monitor, which can simplify the use of WFE, by removing the need for a DSB barrier and SEV instruction.
2015-11-17 18:29
2015-11-19 01:01
假設 spinlock 場景：
1. cpu0 exclusive load, and exclusive store 操作 lock->lock.此時 global monitor 對於 lock->lock 的 status 依然是 exclusive.
2. cpu1 exclusive load, and wfe.
3. cpu2 exclusive load, and wfe.
4. cpu3 exclusive load, and wfe.
5. 此時只有 cpu0 能去 arch_spin_unlock()， exclusive store 操作 lock->lock, 本應該 excl -> open，會觸發 global monitor generate an event for the PE.
但是從你上一段描述和 Figure B2-5 的意思又不一致。 上面 spinlock 的場景根本不會有其他 PE 上針對 x( mark for exclusive ) 的操作了。Figure B2-5 圖中也表示 StoreExcl(Marked_address,n) 進行 excl access 操作，global monitor status 是不變的。
2015-11-19 10:34
在cpu0調用unlock之前，各個狀態機的狀態如下：
1、cpu0上針對spink lockmemory的狀態機是open access狀態。當然，這個狀態和具體實現相關，不過，在這個場景中，沒有人關注它的狀態。
2、cpu1上針對spink lockmemory的狀態機是exclusive access狀態，這時候cpu1處於wfe
3、cpu2狀態機和cpu1相同
4、cpu3狀態機和cpu1相同
cpu0執行了spin_unlock操作，各個狀態機的遷移情況如下：
1、cpu0上針對spink lockmemory的狀態機是怎樣的呢？有人在乎嗎？需要知道它的狀態嗎？當然不需要。
2、cpu1的狀態遷移：這時候實際上產生的事件是有其他cpu（指cpu0）執行了針對marked address（指共享的spin lock memory地址）的store操作，在狀態圖上對應Store(Marked_address,!n)事件，因此，該狀態機遷移到open access狀態，這時候cpu1的Event register會被寫入event，就好象生成一個event，將cpu1喚醒
3、cpu2類似cpu1
4、cpu3類似cpu1
上面是我的理解，請參考
2014-12-11 18:10
不論cpuidle和平臺sleep最後走的都是WFI。WFE沒研究過，看到你寫的，在spinlock中使用的話，感覺和信號量差不多了。
2014-12-11 18:26
行爲確實和信號量類似，但信號量依賴軟件的調度，而使用WFE的spinlock是硬件行爲。
2015-01-15 11:30
2015-01-15 13:18
2. WFI只是ARM體系結構的一個指令，誰會使用這個指令，spinlock？cpuidle？還是sleep？是沒有限制的，因此也不一定非要走cpuidle framework。
3. 你說的很對，Android選擇了autosleep作爲自身電源管理的主要手段，cpuidle framework就沒有太多用處了，甚至，大多數的Android設備，沒有啓用cpuidle framework功能。
4. 個人意見，cpuidle framework的主要使用場景，是在服務器系統中，這些系統的cpu core動輒就幾十個，對系統響應能力的要求又比較高，通過cpuidle，既可以保證性能，也可以節省很多power。
2015-04-29 22:52
2014-12-11 10:17
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太好了，我在看tick broadcast framework，和cpuidle framework有關，我還在想蝸窩應該寫到這裏了吧
另外，你文章中的PE的full name是什麼？
2014-12-11 10:36
2016-08-17 23:01
請問 spin_lock 只是用來在不同CPU core之間，保護共享資源嗎？？
對於那些單cpu 的spin_lock 有什麼不同之處呢？？
2016-08-18 14:54
對於單個CPU來說，它只能順序執行（除非被中斷、異常打斷），因此沒有spin的必要，也就沒有spin_lock的概念。
單CPU需要做同步的話，就把自己的中斷關掉就行了。
2016-09-01 19:15
2016-09-01 19:45
我其實比較挑戰的是他的另外一句話“單CPU需要做同步的話，就把自己的中斷關掉就行了”，一言不合就使用關中斷這種大殺器我是反對的，可以選擇使用最適合的同步方法。
2016-09-02 08:55
我的風格是比較直接，不太希望把話題延伸的太寬，大家多包涵哈~~~