ARMV8 datasheet学习笔记3：AArch64应用级体系结构之Synchronization and semapores

1.前言

本文主要介绍原子变量的实现原理，对原子变量的修改有一套特殊的机制

2. Local monitor和Global monitor

• UP时执行Load EX和Store EX时仅需关注Local Monitor的状态即可

图 UP时Local Monitor和Global Monitor

• SMP时执行Load EX和Store EX时需关注Local Monitor和Global Monitor的状态

图 SMP时Local Monitor和Global Monitor

3. Exclusive access instructions and Non-shareable memory locations

Non-hareable内存指的是具有内部共享属性的的一块存储区域。它仅会在本PE内部进行共享

图 Local Monitor状态机图

• Load-Exclusive

Load-Exclusive指令执行时local monitor标记PE执行load EX的地址为独占，local monitor由Open Access状态转换为Exclusive Access状态；

• Store-Exclusive

依赖local monitor的状态：

（1）如果local monitor 为Exclusive Access状态

如果store的地址为先前load EX访问时的地址，则store EX会发生，并清空独占地址标记，否则由各个厂商自己定义，状态值会返回给寄存器，如果store EX发生则状态值为0，否则状态值为1；

（2）如果local monitor为Open Access状态：

不会有store EX发生；状态值1返回给寄存器，表示store EX没有发生；状态local monitor保持open access状态

4. Exclusive access instructions and shareable memory locations

Shareable内存指的是具有内部共享或外部共享属性的的一块存储区域。它会在所有的PE之间进行共享。

图 SMP Global monitor状态机

• Load-Exclusive

1. 对于shareable内存，local monitor会将本PE的load EX访问地址标记，忽略其他PE的访问请求， store Ex交由global monitor检查；

2. PE执行load EX时，global monitor会为这个PE标记访问的物理地址为独占访问，这标记主要用于本PE store EX操作，这个独占访问标记会被其它PE的load EX清除。

• Store-Exclusive

store EX操作时会检查global monitor状态是否对本PE设置独占标记，如果是则store EX会执行，如果成功会清除global monitor为本PE设置的独占标记, 并返回状态0，失败返回1。

也就是本PE store EX操作只有在gloabal monitor为本PE设置独占标记的时候才能执行, 任一时刻global monitor至少为一个PE标记地址

5. Marking and the size of the marked memory block（？）

当执行Load Ex指令时，通过忽略掉64bit内存地址的的LSB来标记一个块，标记的块大小为2^a 个Bytes ,标记的块大小范围为4~512 words,  由SOC厂家自定义。

例如厂家定义为4个words，则a为4，LDXRB地址 0x341B4 会使用0x341B4的bits[47:4] 标记一个块为独占访问，也就是从0x341B0 到0x341BF被标记为独占访问。

6. Context switch support

异常返回会清空local monitor

7. Load-Exclusive and Store-Exclusive 指令使用限制

• LoadExcl/StoreExcl pair只有运行在相同的虚拟地址才能成功；
• LoadExcl/StoreExcl pair操作的数据宽度必须相同；
• LoadExcl/StoreExcl pair必须访问相同数量的寄存器；
• LoadExcl/StoreExcl pair满足一定的条件才可以继续运行；
• LoadExcl/StoreExcl pair相隔越近则性能越好，因为相隔近，就会减少mornitor标记被清除的可能性；
• 体系结构设置了LoadExcl/StoreExcl pair设置独享访问的地址上限为2048字节。性能考虑，则将独享访问范围分割成设定的粒度，分多次进行访问；
• 如果接收到data abort异常，则独享标记是未知的；
• LoadExcl/StoreExcl pair内存访问属性必须一致，否则store行为未知；
• LoadExcl/StoreExcl pair之间发生了虚拟地址与物理地址映射的改变，则store EX不会通过monitor的独占标记检查；

8.spin-locks中使用WFE 和 SEV指令

ARMv8 提供了 如下指令：

• Wait For Event
• Send Event
• and Send Event Local instructions
• WFE
• SEV
• SEVL

如上指令减少了power consumption and bus contention caused by PEs repeatedly attempting to obtain a spin-lock.这些指令是应用级的

9.参考文档

[1] Linux内核ARM构架中原子变量的底层实现研究

[2] DDI0487A_k_armv8_arm_iss10775.pdf