aarch64体系结构与编程13--原子操作与内存独占访问

[jason--liu]

Linux内核提供的原子操作API接口函数

• Linux内核提供了atomic_t类型的原子变量,它的实现依赖于不同的架构
• atomic_t类型的原子操作函数可以保证了一个操作的原子性和完整性
• “读-修改-回写”机制
  • 读取原子变量的值 到 通用寄存器中
  • 在通用寄存器里 修改原子变量的值
  • 把新值写回内存中
• 基本原子操作函数

ARMv8对原子操作的支持

ARMv8对原子操作的支持

• 第一种:传统的Load-exclusive和store-exclusive方式
  • 在ARMv8上都支持
  • LL/SC (Load-link/store-conditional)
• 第二种:LSE(Large System Extensions)支持原子操作指令
  • 在ARMv8.1上开始支持,ARMv8.1-LSE
  • 新增Compare and Swap instructions
  • 新增Atomic memory operation instructions
  • 新增Swap instruction

传统的Load-exclusive和store-exclusive指令

Load-exclusive和store-exclusive指令

• ldxr指令 :内存独占加载指令。从内存中以独占的方式加载内存地址的值到通用寄存器里
  ldxr {xt} , [xn | sp]
• stxr指令 :内存独占存储指令。以独占的方式把新的数据存储到内存中
  stxr {ws}, {xt}, [xn | sp]
• Load / Store Exclusive Pair指令
  LDXP {Xt1}, {Xt2}, [Xn|SP]
  STXP {Ws}, {Xt1}, {Xt2}, [Xn|SP]
• 带acquire和release屏障原语的Load / Store Exclusive指令

独占监视器(Exclusive Monitor）

• 独占监视器一共有两个状态:开放访问状态(Open Access state)和独占访问状态(Exclusive Access state)
• ldxr指令从内存加载数据时,CPU会把这个内存地址标记为独占访问状态
• 当CPU执行stxr指令的时候,需要根据独占监视器的状态来做决定
  • 如果独占监视器的状态为独占访问状态, 那么stxr指令存储成功,stxr指令返回0,独占监视器的状态变成了开放访问状态
  • 如果独占监视器的状态为开发访问状态, 那么stxr指令存储失败,stxr指令返回1

独占监视器注意事项

• 独占监视器本身不是用来阻止CPU核心来访问被标记的内存,不会lock总线
• 独占监视器 仅仅是起到监视的作用,监视状态的变化
• 不能把 独占监视器看成是一个硬件的锁

独占监视器的组成架构

通常一个系统由多级独占监视器组成(由芯片设计时定义)

• 本地独占监视器(Local monitor),适用于非共享(Non-shareable)的内存
• 缓存一致性的全局独占监视器(Internal coherent globalmonitor),适用于普通类型的内存
• 外部的全局独占监视器(External global monitor),适用于设备类型的内存

• 有的SoC不支持 外部的全局独占监视器。例如树莓派4b上使用的BMC2711
• 在MMU没有使能的情况下,我们访问物理内存变成了访问设备类型的内存,此时,使用ldxr和stxr指令会产生不可预测的错误。

• 第8节课里提到 ldxr指令的大坑

ldxr指令的使用会有很多限制

1. 首先确保访问的内存是 normal memory并且是 sharable的
   
2. 如果访问device memory,例如MMU没有打开的情况,那就需要CPU IP核心支持以独占方式访问device memory,这个需要查询 具体CPU IP手册的描述。例如:第6.4.5章
   

独占监视器的粒度(Granularity of Exclusive Monitor)

• CTR_EL1寄存器中的ERG(Exclusives Reservation Granule)定义了独占监视器监视的最小单位
• ERG可以定义的范围是4words ~ 512words,不过通常是一个cache line的大小
• 例如，假设ERG是2^4,即16字节。当使用ldrxb指令对0x341B4地址进行独占地读操作,那么从0x341b0~ 0x341bf都会标记为exclusive access

案例，简单锁实现

WFE指令在锁实现中的应用

• 如果CPU0获取了锁,CPUn在spin等待锁的时候,让CPU进入低功耗模式,那么能节省功耗和提升性能
• 获取锁的示例代码

• 释放锁的示例代码
  

WFE唤醒

通过WFE睡眠的CPU,下面方式唤醒：

• unmasked interrupt
• Event(唤醒事情)

触发唤醒事件的方式：

• 执行了sev指令
• 本地CPU执行了sevl指令
• clear独占监视器,从独占状态变成开放状态

当持有锁的CPU通过stlr指令写入lock区域释放锁的时候,会触发一个唤醒事件,正在睡眠等待spinlock的CPU会被唤醒

原子内存访问操作(Atomic Memory Accesses)

ARMv8.1上支持下面三种原子内存访问操作( Large System Extensions)

• Compare and Swap instructions, CAS and CASP
• Atomic memory operation instructions
• Swap instruction

通过ID_AA64ISAR0_EL1寄存器中的atomic域来判断是否支持LSE

比较并交换(Compare and Swap)指令

原子内存操作指令