ARM Cortex M 中的 ISB 指令答案

【问题标题】：ISB instruction in ARM Cortex MARM Cortex M 中的 ISB 指令
【发布时间】：2017-06-07 00:21:57
【问题描述】：

到目前为止，我使用 3 个 NOP 来“清理”管道。最近我遇到了为我做这件事的 ISB 指令。查看 arm 信息中心，我注意到这个命令需要 4 个周期（在 Cortex M0 下），而 3 个 NOP 只需要 3 个。

我为什么要使用这个命令？它与 3 NOP 有什么不同？

【问题讨论】：

也许是为了优化尺寸？我不相信它对 Cortex M0 有任何真正的影响，单个nop 可能足以作为中断屏障。与处理器系列的其他成员的点兼容性，不需要依赖微妙的架构细节，当判断错误时可能会产生特别微妙的错误。我猜如果以前的外围存储需要额外的周期来传播和发出中断，那么额外的周期可能会很有用。
你无法预测未来内核的样子，3 nop 可能在今天的一个/一些内核上工作，但可能并非总是如此。执行此功能的指令在哪里，只要该指令得到支持，这是明智的解决方案。
我不需要预测。我知道它现在是如何工作的，这一切都很重要。经过一番研究，我发现没有人真正知道答案。我想我会保留 3 个 NOP 并保存一个周期。
@old_timer 我通常会删除 cortex-m3 标签，因为大多数 Q/A 并非仅针对 M3，而是适用于 M3/M4 和其他 cortex-M 内核。但是，我看到您添加了很多，我不想与您“战斗”。请参阅：ARM tag merging，优秀的元人以跑题而关闭。每个问题都应该有这两个标签吗？
我尝试制作单独的标签，但有人希望将其全部归入 cortex-m3 标签，所以我只是在关注。

标签： assembly arm cortex-m memory-barriers instructions

【解决方案1】：

这是 NOP (http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0552a/CHDJJGFB.html) 的问题：

操作

NOP 不执行任何操作，并且不保证耗时。处理器可能会在它到达执行阶段。

使用 NOP 进行填充，例如放置后续指令在 64 位边界上。

相同的信息在其他 ARM Cortex 设备的文档中，因此将该指令用于任何目的而不是填充根本不可靠。唯一的保证是这条指令将占用 2 (nop) 或 4 字节 (nop.w) 并且它不会执行任何操作 - 仅此而已。

【讨论】：

【解决方案2】：

您应该使用 ISB 指令来确保管道畅通。正如上述 cmets 所述，不同 ARM 处理器之间的管道可能不同（例如，M7 有 6 级管道，而 M3/4 有 3 级）。根据 M4 技术参考手册“对于 ISB，最少循环次数等于管道重新填充所需的次数。”。

我不确定为什么这是 4 个周期而不是 3 个周期，这可能与确保分支预测逻辑正确有关。无论您是否希望您的代码可移植，我都建议您使用 ARM 为这项工作提供的功能，如果他们认为您需要 4 个周期，那么我希望您这样做。如果只有 3 个，在某些情况下可能会出现错误操作。

【讨论】：

【解决方案3】：

ISB指令是4个周期的原因很简单。 Cortex-M 指令集是 16 位和 32 位指令的混合。 Cortex-M 设计（例如 Cortex-M0）支持六种 32 位指令：BL、MSR、MRS、ISB、DMB、DSB。

所有这六条指令都可以在 16 位指令中混合使用。

问题是处理器如何知道哪条指令是 16 位的，哪一条是 32 位的？为了回答这个问题，处理器读取前 16 位并对其进行解码（1 个周期）。如果操作码与 32 位指令匹配，则它知道下一个 16 位指令实际上是 32 位指令的后半部分并尝试执行它（3 个周期）。

这使得 Cortex-M 内核中的所有 32 位指令为 1+3 个周期 = 4 个周期。

如果您确定核心实现，可以使用 3 个 NOP 来刷新管道。您必须确保核心没有分支预测和删除连续 NOP 的动态指令优化。如果您确定没有此功能，请使用 3 个 NOP 指令，您将节省 1 个周期。但是如果你不使用并且你还希望你的 ARM 代码可以移植到其他架构，如 ARMv7 等。那么你必须使用 ISB 指令，这是一条 32 位指令，需要 4 个周期。

【讨论】：

【解决方案4】：

不保证 3 个 NOP 会消耗 3 个周期。在某些情况下，它们在 Cortex-M3 上会消耗 2 个周期 - 在这些情况下，您可能需要使用 3 个以上的 NOP 才能获得所需的效果。

“有趣”的场景很可能不会出现在通用代码中，或者还需要其他事件的特定时间 - 所以您可能不太可能观察到它们。关键是没有保证，而且这种故障的可观察性通常很低。

即使您在某处仅错误地使用了 2 个 NOP，您的代码也可能大部分时间都在工作 - 直到其他地方的更改可能会影响对齐并暴露失败。

【讨论】：