RISC-V强大的原子指令

[导读]RISC-V 把原子指令划分成单独的指令扩展，命名为 'A'。该扩展中主要包含两部分，一个 LR/SC 指令，即Load-Reserved/Store-Conditional，另外一个是 AMO 指令，RV32A 有两种类型的原子操作：

RISC-V 把原子指令划分成单独的指令扩展，命名为 'A'。该扩展中主要包含两部分，一个 LR/SC 指令，即Load-Reserved/Store-Conditional，另外一个是 AMO 指令，RV32A 有两种类型的原子操作：

内存原子操作（AMO）
加载保留/条件存储（load reserved / store conditional）

内存原子操作(AMO)

AMO是强大的“读改写”指令，该操作加载rs1指向的存储器位置的内容，并将其存储在寄存器 rd 中，然后与rs2中的值进行二进制运算，并将结果保存回rd中，然后再写到rs1指向的存储器位置。

为什么要amo指令？

AMO指令要求整个读出，计算，写回必须为原子性质，就是读出和写回之间，该存储器地址不能被其它进程访问，通常总线会锁定，这样就支持多核SoC系统。虽然 RISC-V B位操作扩展支持一系列复杂的位控制指令，但Atomic扩展并不只是针对多处理器系统，它还有助于那些必要的位操作需求比较简单的嵌入式系统，从而精简软件指令代码。

AMO自旋锁的示例如下：

先在寄存器t0中放入1（li t0, 1)。
load加载a0地址中的内容到t1中，a0为锁的地址。
比较t1和0(bnez)，t1不等于0则跳转到again，t1不等于0说明锁已经被持有。
把t0(1)放到a0表示的地址中，含义为上锁，把a0处的原值放到t1中。
比较t1和0(bnez)，t1不等于0则跳转到again，t1不等于0说明锁已经被持有。
执行关键区Critical section代码。
解锁，把x0(0)的值赋给(a0)，把(a0)的值交给x0(丢弃)。注意，RISC-V架构规定x0固定为0值。

再次申明，AMO指令要求整个读出，计算，写回必须为原子性质，就是读出和写回之间，该存储器地址不能被其它进程访问，通常总线会锁定。AMO指令也可以支持释放一致性模型，可以通过指令中的aq/rl位，来设置获取或释放属性。

另外还提供 AMO 指令的原因是，它们在多处理器系统中拥有比加载保留/条件存储更好的可扩展性，例如可以用它们来实现高效的归约。AMO 指令在于 I/O 设备通信时也很有用，可以实现总线事务的原子读写。这种原子性可以简化设备驱动，并提高 I/O 性能。

LR/SC指令

虽然原子操作能解决多线程的竞争问题，但由于会将总线锁住，导致其他核无法访问总线，在核数众多且频发抢锁的情况下，会造成总线长期被锁的情况，因此引入一种新的互斥类型的存储器访问指令，即LR（load reserved）/SC（store conditional）指令。LR指令是Load Reserved的缩写，读取保留；SC指令是Store Conditional 的缩写，条件存储，即load reserved/store conditional。

LR指令是从内存地址rs1中加载内容到rd寄存器。然后在rs1对应地址上设置保留标记(reservation set)。

SC指令在把rs2值写到rs1地址之前，会先判断rs1内存地址是否有设置保留标记，如果设置了，则把rs2值正常写入到rs1内存地址里，并把rd寄存器设置成 0，表示保存成功。如果rs1内存地址没有设置保留标记，则不保存，并把rd寄存器设置成1表示保存失败。不管成功还是失败，SC指令都会把当前hart 保留的所有保留标记全部清除。一个例子如下：