[가상화-virtualization] WFE, WFI 명령어

많은 개발자들은 “HVC 명령어를 통해서만 EL1에서 EL2로 진입할 수 있다”라고 알고 있습니다. 사실 그렇지는 않습니다. WFE와 WFI 명령어를 실행해도 EL1에서 실행되는 게스트 OS에서 EL2로 진입할 수 있습니다. 

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[정보] WFI와 WFE 명령어

WFI와 WFE 명령어는 Arm 아키텍처에서 지원하는 저전력 기능 중 하나입니다. 리눅스 커널이나 RTOS 관점에서 루틴을 분석하면 "함수가 동시다발적으로 아주 빠르게 실행된다"라고 느끼지만 이를 실행하는 Arm 코어 입장에서는 여러 함수에서 특정 루프(예: while)를 반복하면서 데이터가 특정 조건을 만족할 때까지 기다리는 동작을 자주 수행합니다.

이 상황에서 Arm 코어가 저전력 모드(스탠바이)에 진입하면 전력을 최적화해 Arm 코어를 실행할 수 있습니다. 시스템에 하나의 운영체제만 존재하는 환경에서는 WFE, WFI 명령어가 저전력 모드용으로 사용됩니다. 

가상화 관점에서는 게스트 OS에서 WFI 혹은 WFE 명령어가 실행되면 익셉션이 유발되어 EL2(하이퍼바이저 구동)로 진입한다고 볼 수 있습니다. 하이퍼바이저와 같이 시스템에 2개 이상의 운영체제가 실행되는 환경에서 HCR_EL2 레지스터의 TWE 혹은 TWI 비트를 1로 설정한 다음에 WFE, WFI 명령어를 실행하면 HVC 명령어처럼 EL2로 진입합니다.  
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Arm 스펙 문서에서 WFE, WFI 명령어 알아보기

이어서 Arm 아키텍처 문서를 보면서 WFE, WFI 명령어에 대해 더 자세히 알아봅시다.

EL2 provides the following traps for WFE and WFI instructions:

• HCR_EL2.TWE:
1: Any attempt to execute a WFE instruction at Non-secure EL1 or EL0 is trapped to 
EL2, if the instruction would otherwise have caused the PE to enter a low-power 
state.
  0: Non-secure EL1 or EL0 execution of WFE instructions is not trapped to EL2.

• HCR_EL2.TWI
1: Any attempt to execute a WFI instruction at Non-secure EL1 or EL0 is trapped to 
EL2, if the instruction would otherwise have caused the PE to enter a low-power 
state.
  0: Non-secure EL1 or EL0 execution of WFI instructions is not trapped to EL2.

스펙 문서의 내용을 다음과 같이 해석할 수 있습니다.

 EL2는 WFE와 WFI 명령어에 대한 트랩을 지원한다. 
 HCR_EL2 레지스터의 TWE와 TWI 비트가 1로 설정된 경우 WFE 혹은 WFI 명령어를 실행하면 EL2로 트랩된다.
 만약 HCR_EL2 레지스터의 TWE와 TWI 비트가 0으로 설정됐으면 기존의 저전력 모드로 진입하는 동작을 수행한다.

이어서 HVC, WFE, WFI 명령어를 실행하면 어떤 방식으로 EL2에 진입하는지 알아봅시다. 

HVC, WFE, WFI 명령어와 Synchronization 익셉션

지금까지 설명한 내용을 정리하면 HCR_EL2.TWE와 HCR_EL2.TWE가 1인 조건에서 HVC, WFE, WFI와 같은 명령어를 실행하면 EL1에서 EL2로 진입됩니다. 이 부분까지 읽으면 다음과 같은 의문이 생길 수 있습니다.

    "HVC, WFE, WFI와 같은 명령어를 실행하면 어떻게 EL2에 진입할까?"

HVC, WFE, WFI와 같은 명령어를 실행하면 Arm 코어는 Synchronous 익셉션을 유발하며, 다음과 같은 규칙에 따라 프로그램 카운터를 업데이트합니다.

 프로그램 카운터: VBAR_EL2 + 0x400

여기서 VBAR_EL2는 EL2에 정의된 익셉션 벡터 테이블의 베이스 주소이고 0x400은 Synchronous 익셉션의 오프셋 정보입니다.

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[정보] EL2 관점에서 해석한 익셉션 벡터 테이블

하이퍼바이저가 실행되는 EL2 관점에서 해석한 익셉션 벡터 테이블의 세부 내용은 15.4절 ‘가상화와 익셉션 벡터 테이블’을 참고하세요.
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HVC, WFE, WFI 명령어와 익셉션 클래스

HVC, WFE, WFI 같은 명령어를 실행하면 EL2에 존재하는 같은 익셉션 핸들러에서 처리된다고 볼 수 있습니다. 그렇다면 EL1에서 HVC 명령어가 실행되어 EL2에 진입했는지 혹은 WFE/WFI와 같은 명령어를 실행해 EL2에 진입했는지 어떻게 알 수 있을까요? 

Arm 코어는 HVC, WFE 와 WFI 같은 명령어를 실행하면 Synchronous 익셉션을 유발하면서 다음 표와 같은 익셉션 클래스를 ESR_EL2의 [36:21] 비트에 업데이트합니다.

표 15.1 HVC, WFE, WFI 명령어와 익셉션 클래스

HVC, WFE, WFI 명령어를 실행하면 분기되는 같은 익셉션 핸들러에서 표 15.1에서 소개한 익셉션 클래스 비트 정보는 ESR_EL2 레지스터의 [31:26] 비트에서 읽어 HVC, WFE, WFI 명령어에 따라 다른 방식으로 처리할 수 있습니다.

이어지는 절에서 Arm 아키텍처 관점에서 하이퍼바이저의 세부 동작을 설정할 수 있는 HCR_EL2 레지스터에 대해 알아봅시다. 

 

< '시스템 소프트웨어 개발을 위한 Arm 아키텍처의 구조와 원리' 저자>

<강의 영상>