sparc體系架構的窗口寄存器的深入理解

1.概述

2.窗口寄存器的特性

3.程序的設計

4.sparc設計對于嵌入式編程的優(yōu)劣

1.概述

sparc這種架構有著特殊的窗口寄存器，使用sparc芯片，一定會對這種窗口寄存器產生疑惑，然而這種硬件特性卻讓軟件設計有著更加獨特的方式。下面來描述一下sparc架構中這種串口寄存器的特性以及編程模型。

采用窗口寄存器，可以減少函數(shù)調用過程中返回時間，因為通過硬件進行壓棧操作時，可以減少指令條數(shù)以及減少訪問存儲器的次數(shù)。

窗口寄存器的本質是每當執(zhí)行一次函數(shù)調用過程時，寄存器窗口會自動的指向下一個窗口，當子程序返回時，也不需要額外的出棧操作，只是將窗口偏移到上個寄存器即可。

而兩個相鄰的窗口則有重疊部分，可以對兩個父子函數(shù)之間進行參數(shù)傳遞，這樣大大的提高了訪問的效率以及寄存器的專一性。

2.窗口寄存器的特性

當在實際的程序中使用時，往往會涉及到多個函數(shù)的嵌套，這些在復雜程序設計上非常的普遍，業(yè)務邏輯的增加會顯著的增加函數(shù)調用的深度。如果函數(shù)調用超過了這些8個窗口，sparc架構又是該如何處理呢？

在sparc的架構中，CWP(當前窗口指針)是PSR（程序狀態(tài)寄存器）的一部分，在某一固定的時刻，處理器中都只會有32個整數(shù)寄存器可以被使用。這32個寄存器為8個全局寄存器、8個返回結果寄存器、8個局部寄存器、8個輸入寄存器。CWP通常會因SAVE指令（SAVE指令一般在過程調用時使用，用來開辟新的棧幀并切換寄存器窗口）而減一，因RESTORE指令（在從過程中返回前切換回調用者的寄存器窗口）而加一，陷阱事件（中斷，異常或TRAP指令）和RETT指令（從陷阱中返回）也會改變CWP，不過函數(shù)調用比陷阱更為常見。

窗口無效掩碼（WIM） WIM指示了哪個窗口是無效的，無效的意思是該窗口保存了調用者的信息所以不可再使用，上圖中，WIM指向w7，而CWP指向w0，所以現(xiàn)在如果執(zhí)行一條SAVE指令，則會觸發(fā)窗口溢出陷阱，反之，如果CWP指向w0且又執(zhí)行了一條RESTORE指令，則會觸發(fā)窗口下溢陷阱。

所謂的窗口下溢則是說當前窗口不夠用了，需要將已經滿了的窗口寄存器的數(shù)據(jù)壓入到棧上，也就是內存中，壓入后的窗口寄存器又可以重新利用起來了，而上個滿了的窗口寄存器則存在內存中了。當函數(shù)返回到窗口無效寄存器時，則發(fā)生上溢陷阱，該陷阱中會執(zhí)行出棧的操作，從而將寄存器進行恢復。

3.程序的設計

對于C語言來說，并不用關注架構的不同帶來的差異性，而對于匯編來說，則設計卻是完全的不同。GCC已經處理好了C轉換成匯編的邏輯。

每個save指令都是在被調用的函數(shù)的第一條指令處開始執(zhí)行。而SAVE的指令與ADD的指令相同，其功能是可以將sparcCWP減一。讓CWP-1窗口成為新的當前的窗口。

當函數(shù)執(zhí)行完成后，則執(zhí)行restore指令，讓窗口指令加一。窗口就回歸原位了。

4.sparc設計對于嵌入式編程的優(yōu)劣

對于嵌入式來說，如果只設計可控的程序，邏輯設計上盡可能的單一可控，并且最好函數(shù)的嵌套深度不應該超過8個，最好不發(fā)生上溢或者下溢操作。這樣不用訪問存儲器，并且底層的指令很少，對于程序的執(zhí)行效率很有保障。有上溢或者下溢，一次性就需要壓棧或者出棧操作，使得其程序的執(zhí)行效率不在那么高效。

而對于rtos來說，設計上也稍微復雜了一些，需要不僅需要判斷當前窗口的溢出情況，還需要保存窗口寄存器的棧，這樣對于系統(tǒng)上下文的線程棧需要的空間消耗是非常大的。目前也沒有想到合適方式去減少棧的消耗，而且在rtos上，sparc架構所占的優(yōu)勢并不是很明顯，以上僅僅是我對這種架構在嵌入式上使用的一些看法。

總結起來，sparc架構的好處是由于有了窗口寄存器模型，如果程序設計的優(yōu)秀簡單，這個是非常好的，效率也可以非常高，簡潔的寄存器、簡潔的控制狀態(tài)，需要編程人員要有很高的水平。缺點就是不考慮sparc架構的編程方式，將會使得程序的效率非常的低下，sparc芯片的使用也變得十分的困難。

責任編輯：xj

原文標題：sparc體系架構的窗口寄存器的深入理解

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