sparc體系架構(gòu)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(shè)計(jì)

4.sparc設(shè)計(jì)對(duì)于嵌入式編程的優(yōu)劣

1.概述

sparc這種架構(gòu)有著特殊的窗口寄存器，使用sparc芯片，一定會(huì)對(duì)這種窗口寄存器產(chǎn)生疑惑，然而這種硬件特性卻讓軟件設(shè)計(jì)有著更加獨(dú)特的方式。下面來描述一下sparc架構(gòu)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(diào)用過程中返回時(shí)間，因?yàn)橥ㄟ^硬件進(jìn)行壓棧操作時(shí)，可以減少指令條數(shù)以及減少訪問存儲(chǔ)器的次數(shù)。

窗口寄存器的本質(zhì)是每當(dāng)執(zhí)行一次函數(shù)調(diào)用過程時(shí)，寄存器窗口會(huì)自動(dòng)的指向下一個(gè)窗口，當(dāng)子程序返回時(shí)，也不需要額外的出棧操作，只是將窗口偏移到上個(gè)寄存器即可。

而兩個(gè)相鄰的窗口則有重疊部分，可以對(duì)兩個(gè)父子函數(shù)之間進(jìn)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(dāng)在實(shí)際的程序中使用時(shí)，往往會(huì)涉及到多個(gè)函數(shù)的嵌套，這些在復(fù)雜程序設(shè)計(jì)上非常的普遍，業(yè)務(wù)邏輯的增加會(huì)顯著的增加函數(shù)調(diào)用的深度。如果函數(shù)調(diào)用超過了這些8個(gè)窗口，sparc架構(gòu)又是該如何處理呢？

在sparc的架構(gòu)中，CWP(當(dāng)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(shí)刻，處理器中都只會(huì)有32個(gè)整數(shù)寄存器可以被使用。這32個(gè)寄存器為8個(gè)全局寄存器、8個(gè)返回結(jié)果寄存器、8個(gè)局部寄存器、8個(gè)輸入寄存器。CWP通常會(huì)因SAVE指令（SAVE指令一般在過程調(diào)用時(shí)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(diào)用者的寄存器窗口）而加一，陷阱事件（中斷，異?；騎RAP指令）和RETT指令（從陷阱中返回）也會(huì)改變CWP，不過函數(shù)調(diào)用比陷阱更為常見。

窗口無效掩碼（WIM） WIM指示了哪個(gè)窗口是無效的，無效的意思是該窗口保存了調(diào)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(huì)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(huì)觸發(fā)窗口下溢陷阱。

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

3.程序的設(shè)計(jì)

對(duì)于C語言來說，并不用關(guān)注架構(gòu)的不同帶來的差異性，而對(duì)于匯編來說，則設(shè)計(jì)卻是完全的不同。GCC已經(jīng)處理好了C轉(zhuǎn)換成匯編的邏輯。

每個(gè)save指令都是在被調(diào)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(dāng)前的窗口。

當(dāng)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(shè)計(jì)對(duì)于嵌入式編程的優(yōu)劣

對(duì)于嵌入式來說，如果只設(shè)計(jì)可控的程序，邏輯設(shè)計(jì)上盡可能的單一可控，并且最好函數(shù)的嵌套深度不應(yīng)該超過8個(gè)，最好不發(fā)生上溢或者下溢操作。這樣不用訪問存儲(chǔ)器，并且底層的指令很少，對(duì)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?；蛘叱鰲２僮?，使得其程序的執(zhí)行效率不在那么高效。

而對(duì)于rtos來說，設(shè)計(jì)上也稍微復(fù)雜了一些，需要不僅需要判斷當(dāng)前窗口的溢出情況，還需要保存窗口寄存器的棧，這樣對(duì)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(gòu)所占的優(yōu)勢并不是很明顯，以上僅僅是我對(duì)這種架構(gòu)在嵌入式上使用的一些看法。

總結(jié)起來，sparc架構(gòu)的好處是由于有了窗口寄存器模型，如果程序設(shè)計(jì)的優(yōu)秀簡單，這個(gè)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(diǎn)就是不考慮sparc架構(gòu)的編程方式，將會(huì)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(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：sparc體系架構(gòu)的窗口寄存器的深入理解

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