http://blog.hamobai.com/2012/06/28/synchronization-on-ARM-one/

处理器在访问共享资源时,必须对临界区进行同步,即保证同一时间内,只有一个对临界区的访问者。

当共享资源为一内存地址时,原子操作是对该类型共享资源同步访问的最佳方式。

随着应用的日益复杂和SMP的广泛使用,处理器都开始提供硬件同步原语以支持原子地更新内存地址。

CISC处理器比如IA32,可以提供单独的多种原子指令完成复杂的原子操作,由处理器保证读-修改-写回过程的原子性。

而RISC则不同,由于除Load和Store的所有操作都必须在寄存器中完成,

如何保证从装载内存地址到寄存器,到修改寄存器中的值,再到将寄存器中的值写回内存中可以原子性的完成,便成为了处理器设计的关键。

从ARMv6架构开始,ARM处理器提供了Exclusive accesses同步原语,包含两条指令:

LDREX
STREX

LDREX和STREX指令,将对一个内存地址的原子操作拆分成两个步骤,

同处理器内置的记录exclusive accesses的exclusive monitors一起,完成对内存的原子操作。

LDREX

LDREX与LDR指令类似,完成将内存中的数据加载进寄存器的操作。

与LDR指令不同的是,该指令也会同时初始化exclusive monitor来记录对该地址的同步访问。例如

LDREX R1, [R0]

会将R0寄存器中内存地址的数据,加载进R1中并更新exclusive monitor。

STREX

该指令的格式为:

STREX Rd, Rm, [Rn]

STREX会根据exclusive monitor的指示决定是否将寄存器中的值写回内存中。

如果exclusive monitor许可这次写入,则STREX会将寄存器Rm的值写回Rn所存储的内存地址中,并将Rd寄存器设置为0表示操作成功。

如果exclusive monitor禁止这次写入,则STREX指令会将Rd寄存器的值设置为1表示操作失败并放弃这次写入。

应用程序可以根据Rd中的值来判断写回是否成功。

在这篇文章里,首先会以Linux Kernel中ARM架构的原子相加操作为例,介绍这两条指令的使用方法;

之后,会介绍GCC提供的一些内置函数,这些同步函数使用这两条指令完成同步操作。

Linux Kernel中的atomic_add函数

如下是Linux Kernel中使用的atomic_add函数的定义,它实现原子的给 v 指向的atomic_t增加 i 的功能。

 static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long tmp;
int result; __asm__ __volatile__("@ atomic_add\n"
"1: ldrex %0, [%3]\n"
" add %0, %0, %4\n"
" strex %1, %0, [%3]\n"
" teq %1, #0\n"
" bne 1b"
: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)
: "r" (&v->counter), "Ir" (i)
: "cc");
}

在第7行,使用LDREX指令将v->counter所指向的内存地址的值装入寄存器中,并初始化exclusive monitor。

在第8行,将该寄存器中的值与i相加。

在第9,10,11行,使用STREX指令尝试将修改后的值存入原来的地址,

如果STREX写入%1寄存器的值为0,则认为原子更新成功,函数返回;

如果%1寄存器的值不为0,则认为exclusive monitor拒绝了本次对内存地址的访问,

则跳转回第7行重新进行以上所述的过程,直到成功将修改后的值写入内存为止。

该过程可能多次反复进行,但可以保证,在最后一次的读-修改-写回的过程中,没有其他代码访问该内存地址。

static inline void atomic_set(atomic_t *v, int i)
{
unsigned long tmp; __asm__ __volatile__("@ atomic_set/n"
"1: ldrex %0, [%1]/n"
" strex %0, %2, [%1]/n"
" teq %0, #0/n"
" bne 1b"
: "=&r" (tmp)
: "r" (&v->counter), "r" (i)
: "cc");
}

输入为v(原子变量),i(要设置的值),均存放在动态分配的寄存器中。tmp用来指示操作是否成功。

GCC内置的原子操作函数

看了上面的GCC内联汇编,是不是有点晕?

在用户态下,GCC为我们提供了一系列内置函数,这些函数可以让我们既享受原子操作的好处,

又免于编写复杂的内联汇编指令。这一系列的函数均以__sync开头,分为如下几类:

type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...)

这一系列函数完成对ptr所指向的内存地址的对应操作,并返回操作之前的值。

type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

这一系列函数完成对ptr所指向的内存地址的对应操作,并返回操作之后的值。

bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)

这两个函数完成对变量的原子比较和交换。

即如果ptr所指向的内存地址存放的值与oldval相同的话,则将其用newval的值替换。

返回bool类型的函数返回比较的结果,相同为true,不同为false;

返回type的函数返回的是ptr指向地址交换前存放的值。

LDREX 和 STREX

独占加载和存储寄存器。

语法

LDREX{cond} Rt, [Rn {, #offset}]
STREX{cond} Rd, Rt, [Rn {, #offset}]
LDREXB{cond} Rt, [Rn]
STREXB{cond} Rd, Rt, [Rn]
LDREXH{cond} Rt, [Rn]
STREXH{cond} Rd, Rt, [Rn]
LDREXD{cond} Rt, Rt2, [Rn]
STREXD{cond} Rd, Rt, Rt2, [Rn]

其中:

cond

是一个可选的条件代码(请参阅条件执行)。

Rd 

是存放返回状态的目标寄存器。

Rt

是要加载或存储的寄存器。

Rt2

为进行双字加载或存储时要用到的第二个寄存器。

Rn

是内存地址所基于的寄存器。

offset

为应用于 Rn 中的值的可选偏移量。offset 只可用于 Thumb-2 指令中。 如果省略 offset,则认为偏移量为 0。

LDREX

LDREX 可从内存加载数据。

  • 如果物理地址有共享 TLB 属性,则 LDREX 会将该物理地址标记为由当前处理器独占访问,并且会清除该处理器对其他任何物理地址的任何独占访问标记。

  • 否则,会标记:执行处理器已经标记了一个物理地址,但访问尚未完毕。

STREX

STREX 可在一定条件下向内存存储数据。 条件具体如下:

  • 如果物理地址没有共享 TLB 属性,且执行处理器有一个已标记但尚未访问完毕的物理地址,那么将会进行存储,清除该标记,并在 Rd 中返回值 0。

  • 如果物理地址没有共享 TLB 属性,且执行处理器也没有已标记但尚未访问完毕的物理地址,那么将不会进行存储,而会在 Rd 中返回值 1。

  • 如果物理地址有共享 TLB 属性,且已被标记为由执行处理器独占访问,那么将进行存储,清除该标记,并在 Rd 中返回值 0。

  • 如果物理地址有共享 TLB 属性,但没有标记为由执行处理器独占访问,那么不会进行存储,且会在 Rd中返回值 1。

限制

r15 不可用于 RdRtRt2 或 Rn 中的任何一个。

对于 STREXRd 一定不能与 RtRt2 或 Rn 为同一寄存器。

对于 ARM 指令:

  • Rt 必须是一个编号为偶数的寄存器,且不能为 r14

  • Rt2 必须为 R(t+1)

  • 不允许使用 offset

对于 Thumb 指令:

  • r13 不可用于 RdRt 或 Rt2 中的任何一个

  • 对于 LDREXDRt 和 Rt2 不可为同一个寄存器

  • offset 的值可为 0-1020 范围内 4 的任何倍数。

用法

利用 LDREX 和 STREX 可在多个处理器和共享内存系统之前实现进程间通信。

出于性能方面的考虑,请将相应 LDREX 指令和 STREX 指令间的指令数控制到最少。

Note

STREX 指令中所用的地址必须要与近期执行次数最多的 LDREX 指令所用的地址相同。
如果使用不同的地址,则 STREX 指令的执行结果将不可预知。

体系结构

ARM LDREX 和 STREX 可用于 ARMv6 及更高版本中。

ARM LDREXBLDREXHLDREXDSTREXBSTREXD 和 STREXH 可用于 ARMv6K 及更高版本中。

所有这些 32 位 Thumb 指令均可用于 ARMv6T2 及更高版本,但 LDREXD 和 STREXD 在 ARMv7-M 架构中不可用。

这些指令均无 16 位版本。

示例

    MOV r1, #0x1                ; load the ‘lock taken’ value
try
LDREX r0, [LockAddr] ; load the lock value
CMP r0, # ; is the lock free?
STREXEQ r0, r1, [LockAddr] ; try and claim the lock
CMPEQ r0, # ; did this succeed?
BNE try ; no – try again
.... ; yes – we have the lock

http://lxr.free-electrons.com/source/arch/arm/include/asm/atomic.h?v=2.6.33

/*
* arch/arm/include/asm/atomic.h
*
* Copyright (C) 1996 Russell King.
* Copyright (C) 2002 Deep Blue Solutions Ltd.
*
* This program is free software; you can redistribute it and/or modify
* it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
* published by the Free Software Foundation.
*/
#ifndef __ASM_ARM_ATOMIC_H
#define __ASM_ARM_ATOMIC_H #include <linux/compiler.h>
#include <linux/types.h>
#include <asm/system.h> #define ATOMIC_INIT(i) { (i) } #ifdef __KERNEL__ /*
* On ARM, ordinary assignment (str instruction) doesn't clear the local
* strex/ldrex monitor on some implementations. The reason we can use it for
* atomic_set() is the clrex or dummy strex done on every exception return.
*/
#define atomic_read(v) ((v)->counter)
#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i)) #if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 6 /*
* ARMv6 UP and SMP safe atomic ops. We use load exclusive and store exclusive to ensure that these are atomic.
* We may loop to ensure that the update happens.
*/
static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long tmp;
int result; __asm__ __volatile__("@ atomic_add\n"
"1: ldrex %0, [%2]\n"
" add %0, %0, %3\n"
" strex %1, %0, [%2]\n"
" teq %1, #0\n"
" bne 1b"
: "=&r" (result), "=&r" (tmp)
: "r" (&v->counter), "Ir" (i)
: "cc");
} static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long tmp;
int result; smp_mb(); __asm__ __volatile__("@ atomic_add_return\n"
"1: ldrex %0, [%2]\n"
" add %0, %0, %3\n"
" strex %1, %0, [%2]\n"
" teq %1, #0\n"
" bne 1b"
: "=&r" (result), "=&r" (tmp)
: "r" (&v->counter), "Ir" (i)
: "cc"); smp_mb(); return result;
} static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long tmp;
int result; __asm__ __volatile__("@ atomic_sub\n"
"1: ldrex %0, [%2]\n"
" sub %0, %0, %3\n"
" strex %1, %0, [%2]\n"
" teq %1, #0\n"
" bne 1b"
: "=&r" (result), "=&r" (tmp)
: "r" (&v->counter), "Ir" (i)
: "cc");
} static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long tmp;
int result; smp_mb(); __asm__ __volatile__("@ atomic_sub_return\n"
"1: ldrex %0, [%2]\n"
" sub %0, %0, %3\n"
" strex %1, %0, [%2]\n"
" teq %1, #0\n"
" bne 1b"
: "=&r" (result), "=&r" (tmp)
: "r" (&v->counter), "Ir" (i)
: "cc"); smp_mb(); return result;
} static inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *ptr, int old, int new)
{
unsigned long oldval, res; smp_mb(); do {
__asm__ __volatile__("@ atomic_cmpxchg\n"
"ldrex %1, [%2]\n"
"mov %0, #0\n"
"teq %1, %3\n"
"strexeq %0, %4, [%2]\n"
: "=&r" (res), "=&r" (oldval)
: "r" (&ptr->counter), "Ir" (old), "r" (new)
: "cc");
} while (res); smp_mb(); return oldval;
} static inline void atomic_clear_mask(unsigned long mask, unsigned long *addr)
{
unsigned long tmp, tmp2; __asm__ __volatile__("@ atomic_clear_mask\n"
"1: ldrex %0, [%2]\n"
" bic %0, %0, %3\n"
" strex %1, %0, [%2]\n"
" teq %1, #0\n"
" bne 1b"
: "=&r" (tmp), "=&r" (tmp2)
: "r" (addr), "Ir" (mask)
: "cc");
} #else /* ARM_ARCH_6 */ #ifdef CONFIG_SMP
#error SMP not supported on pre-ARMv6 CPUs
#endif static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long flags;
int val; raw_local_irq_save(flags);
val = v->counter;
v->counter = val += i;
raw_local_irq_restore(flags); return val;
}
#define atomic_add(i, v) (void) atomic_add_return(i, v) static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long flags;
int val; raw_local_irq_save(flags);
val = v->counter;
v->counter = val -= i;
raw_local_irq_restore(flags); return val;
}
#define atomic_sub(i, v) (void) atomic_sub_return(i, v) static inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *v, int old, int new)
{
int ret;
unsigned long flags; raw_local_irq_save(flags);
ret = v->counter;
if (likely(ret == old))
v->counter = new;
raw_local_irq_restore(flags); return ret;
} static inline void atomic_clear_mask(unsigned long mask, unsigned long *addr)
{
unsigned long flags; raw_local_irq_save(flags);
*addr &= ~mask;
raw_local_irq_restore(flags);
} #endif /* __LINUX_ARM_ARCH__ */ #define atomic_xchg(v, new) (xchg(&((v)->counter), new)) static inline int atomic_add_unless(atomic_t *v, int a, int u)
{
int c, old; c = atomic_read(v);
while (c != u && (old = atomic_cmpxchg((v), c, c + a)) != c)
c = old;
return c != u;
}
#define atomic_inc_not_zero(v) atomic_add_unless((v), 1, 0) #define atomic_inc(v) atomic_add(1, v)
#define atomic_dec(v) atomic_sub(1, v) #define atomic_inc_and_test(v) (atomic_add_return(1, v) == 0)
#define atomic_dec_and_test(v) (atomic_sub_return(1, v) == 0)
#define atomic_inc_return(v) (atomic_add_return(1, v))
#define atomic_dec_return(v) (atomic_sub_return(1, v))
#define atomic_sub_and_test(i, v) (atomic_sub_return(i, v) == 0) #define atomic_add_negative(i,v) (atomic_add_return(i, v) < 0) #define smp_mb__before_atomic_dec() smp_mb()
#define smp_mb__after_atomic_dec() smp_mb()
#define smp_mb__before_atomic_inc() smp_mb()
#define smp_mb__after_atomic_inc() smp_mb() #include <asm-generic/atomic-long.h>
#endif
#endif

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