ARM Cortex M中的ISB指令

Question

直到现在我使用3个NOP来“清理”管道。 最近我遇到了ISB指令，它为我做了这个。 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），3个NOP只需要3个。

为什么要使用此命令？有什么不同于3个NOP？

Answer 1

ISB指令为4个周期的原因非常简单。 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6种32位指令：BL，MSR，MRS，ISB，DMB，DSB。

所有这六个指令可以在16位指令之间混合使用。

问题是处理器如何知道哪个指令是16位，哪个指令是32位？为了回答这个问题，处理器读取前16位并将其解码（1个周期）。如果操作码与32位指令匹配，则它知道下一条16位指令实际上是32位指令的后一半，并尝试执行该指令（3个周期）。

这使得Cortex-M内核中的所有32位指令为1 + 3周期= 4个周期。

要冲洗管道，可以在确定核心实现的情况下使用3个NOP。您必须确保内核没有分支预测，并且必须在运行指令中进行优化以消除连续的NOP。如果您确定没有此功能，请使用3条NOP指令，这样您将节省1个周期。但是，如果您不使用，并且还希望将ARM代码移植到其他体系结构（如ARMv7等）中，则必须使用ISB指令，该指令是32位指令，需要4个周期。

Answer 2

您应该使用ISB指令来确保管道清晰。正如上面的评论所述，不同ARM处理器之间的流水线可能不同（例如，M7有一个6级pipleline而不是3级用于M3 / 4）。根据M4技术参考手册“对于ISB，最小循环次数相当于管道补充所需的次数。”。

为什么这是4个周期而不是3个我不确定，这可能与确保分支预测逻辑正确有关。无论你是否希望你的代码是可移植的，我都会建议使用ARM提供的工作，如果他们认为你需要4个周期，那么我希望你这样做。如果您只有3，则在某些情况下可能会出现错误操作。

Answer 3

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，并且不保证是耗时的。   处理器可能会在它到达之前将其从管道中删除   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。

其他ARM Cortex设备的文档中也有相同的信息，因此除了填充之外，使用该指令进行任何目的都是不可靠的。您唯一的保证是该指令将占用2（nop）或4个字节（nop.w）并且它将不执行任何操作 - 仅此而已。

Answer 4

3 NOP不保证消耗3个周期。有些情况下他们会在Cortex-M3 上消耗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”场景可能不会出现在常见代码中，或者还需要其他事件的特定时间 - 因此您可能不太可能观察它们。关键点在于没有保证，这种失败的可观察性往往很低。

即使您某处错误地使用了2个NOP，您的代码也可能在大部分时间内工作 - 直到其他地方的更改对齐并影响对齐并暴露出故障。