RISC-V強大的原子指令

RISC-V 把原子指令劃分成單獨的指令擴展，命名為 'A'。該擴展中主要包含兩部分，一個 LR/SC 指令，即Load-Reserved/Store-Conditional，另外一個是 AMO 指令，RV32A 有兩種類型的原子操作：

• 內(nèi)存原子操作（AMO）

• 加載保留/條件存儲（load reserved / store conditional）

內(nèi)存原子操作(AMO)

AMO是強大的“讀改寫”指令，該操作加載rs1指向的存儲器位置的內(nèi)容，并將其存儲在寄存器 rd 中，然后與rs2中的值進行二進制運算，并將結(jié)果保存回rd中，然后再寫到rs1指向的存儲器位置。

為什么要amo指令？

AMO指令要求整個讀出，計算，寫回必須為原子性質(zhì)，就是讀出和寫回之間，該存儲器地址不能被其它進程訪問，通?？偩€會鎖定，這樣就支持多核SoC系統(tǒng)。雖然 RISC-V B位操作擴展支持一系列復(fù)雜的位控制指令，但Atomic擴展并不只是針對多處理器系統(tǒng)，它還有助于那些必要的位操作需求比較簡單的嵌入式系統(tǒng)，從而精簡軟件指令代碼。

AMO自旋鎖的示例如下：

• 先在寄存器t0中放入1（li t0, 1)。

• load加載a0地址中的內(nèi)容到t1中，a0為鎖的地址。

• 比較t1和0(bnez)，t1不等于0則跳轉(zhuǎn)到again，t1不等于0說明鎖已經(jīng)被持有。

• 把t0(1)放到a0表示的地址中，含義為上鎖，把a0處的原值放到t1中。

• 比較t1和0(bnez)，t1不等于0則跳轉(zhuǎn)到again，t1不等于0說明鎖已經(jīng)被持有。

• 執(zhí)行關(guān)鍵區(qū)Critical section代碼。

• 解鎖，把x0(0)的值賦給(a0)，把(a0)的值交給x0(丟棄)。注意，RISC-V架構(gòu)規(guī)定x0固定為0值。

  
  

再次申明，AMO指令要求整個讀出，計算，寫回必須為原子性質(zhì)，就是讀出和寫回之間，該存儲器地址不能被其它進程訪問，通?？偩€會鎖定。AMO指令也可以支持釋放一致性模型，可以通過指令中的aq/rl位，來設(shè)置獲取或釋放屬性。

另外還提供 AMO 指令的原因是，它們在多處理器系統(tǒng)中擁有比加載保留/條件存儲更好的可擴展性，例如可以用它們來實現(xiàn)高效的歸約。AMO 指令在于 I/O 設(shè)備通信時也很有用，可以實現(xiàn)總線事務(wù)的原子讀寫。這種原子性可以簡化設(shè)備驅(qū)動，并提高 I/O 性能。

LR/SC指令

雖然原子操作能解決多線程的競爭問題，但由于會將總線鎖住，導(dǎo)致其他核無法訪問總線，在核數(shù)眾多且頻發(fā)搶鎖的情況下，會造成總線長期被鎖的情況，因此引入一種新的互斥類型的存儲器訪問指令，即LR（load reserved）/SC（store conditional）指令。LR指令是Load Reserved的縮寫，讀取保留；SC指令是Store Conditional 的縮寫，條件存儲，即load reserved/store conditional。

LR指令是從內(nèi)存地址rs1中加載內(nèi)容到rd寄存器。然后在rs1對應(yīng)地址上設(shè)置保留標記(reservation set)。

SC指令在把rs2值寫到rs1地址之前，會先判斷rs1內(nèi)存地址是否有設(shè)置保留標記，如果設(shè)置了，則把rs2值正常寫入到rs1內(nèi)存地址里，并把rd寄存器設(shè)置成 0，表示保存成功。如果rs1內(nèi)存地址沒有設(shè)置保留標記，則不保存，并把rd寄存器設(shè)置成1表示保存失敗。不管成功還是失敗，SC指令都會把當前hart 保留的所有保留標記全部清除。一個例子如下：

• 加載舊的值

• 比較舊的值與 a1 是否相等

• 相等則存入新的值

• 如果存入失敗，重新嘗試

• …比較-交換成功之后的代碼…

• 比較-交換不成功