[活动] 不可分割的原子操作——《RISC-V体系结构编程与实践》读书笔记

jobszheng5 2023-5-30 22:14 楼主

不可分割的原子操作——《RISC-V体系结构编程与实践》读书笔记

    原子操作无论在软件设计中中，还是硬件设计中都有所涉及。什么是原子操作呢？原子操作是指“保证指令以原子的方式执行，执行过程不会被打断。”名词解释总是如此地晦涩难懂！
咱们的处理器工作都是以“加载-执行”的模式运行。因此，对数据的操作也就分为了“读-改-写”三步，即将数据从内存中读出来到寄存器，对寄存器中的数据进行运算，处理，再将新数据写回内存的三步。因此，上述三步只要有一步被打断，则新数据就很难保证正确，系统稳定性则很保证。
    如何解决呢？要依靠处理器提供硬件支持。RISC-V指令集的A扩展指令集提供两种方式：一是经典的LR和SC指令，部分参考资料也称其为LL/SC指令；另一种是原子内存访问指令。
    LL是load-link的缩写，其在内存地址读取一个值，处理器会监控这个内存地址。对于RISC-V来说，它会注册一个保留集。
    SC是Store-conditional的缩写，其会监测store指令的执行结果。如果执行失败了，需要跳转到LR指令处，重新执行原子加载以及原子存储操作，但不管结果如何，保留集中的数据都会失效。
    RISC-V手册中并未约定LL/SC指令的实现，各个芯片设计厂商可以自由发挥。而对于原子内存访问操作指令，RISC-V指令集，它允许在靠近数据的地方原子地实现“读-改-写”操作，其汇编格式如下：

amo <op>, w/d rd, rs2, (rs1)

举个例子，用AMOADD指令实现atomic_add()函数：

void atomic_add(int i, unsigned long *p){
unsigned long result;
asm volatile("# atomic_add\n"
"amoadd.d %[result], %[i], (%[p])\n"
:[result]"=&r"(result),[p]"+r"(p)
:[i]"r"(i)
:"memory");
}

还有其它利用汇编语言实现的原子操作，如amomax,cmpxchg()函数等。
文中还有一个使用cmpxchg()函数实现的无锁链表，这个挺有意义的，但限于片幅，大家还是购买图片自行查阅吧！嘿嘿