loongarch架构介绍—内存模型和相关指令（二）

,​​想了解更多关于开源的内容，请访问：​​,​​51CTO 开源基础软件社区​​,​​https://ost.51cto.com​​,前面一篇文章中介绍了loongarch架构中的基础部分，包括基础的整数运算指令、浮点运算指令、访存指令等，以及loongarch架构中的一些寄存器约定和汇编写法。,这篇文章则主要介绍loongarch架构中内存一致性模型相关信息，以及原子指令和栅障指令的含义和使用方法。本文会先介绍内存一致性模型相关背景知识，然后介绍目前loongarch资料中内存一致性模型相关的信息，再介绍loongarch中的原子指令和栅障指令，最后结合spinlock的实现说明原子指令和栅障指令的使用方法。,内存一致性模型（memory consistency model），简称内存模型（memory model），是描述程序的与shared memory相关的访存指令执行顺序行为的模型。对于一段程序，内存模型能够指出哪些访存指令执行顺序是cpu允许存在的，哪些执行顺序是不可能发生的。,对于一般应用程序的开发人员来说，内存一致性模型是透明的，代码看上去是顺序执行的，在多线程中通过调用系统封装的互斥锁等就可实现同步。,但对于系统开发人员，内存一致性模型需要了解，这关系到如底层汇编中自旋锁实现等应用场景。,这里列举出一些常见的内存一致性模型：,其中Load表示加载内存操作，Store表示写入内存操作。,除了SC模型外，其他几种都打乱了访存指令的执行顺序，这主要是硬件上性能因素的考虑。,下面对这些模型中定义的访存指令顺序进行介绍。,对于Load和Store操作，实际上总共有4种顺序：,SC模型保证以上所有的顺序，即访存指令实际的执行顺序与其在程序中的先后顺序相同。,下表为两个cpu核并行运行的例子：,其中，S1和S2为Store操作，L1和L2为Load操作，x和y是cpu核C1和C2中共享的变量，r1和r2是cpu核C1和C2中的局部变量。,SC中所有可能的执行顺序如下：,结果与一般程序员视角中的模型相同。,TSO中保证的访存指令顺序如下：,其中对于Store->Load可能会被打乱顺序。,下面用与上文SC中相同的例子进行说明：,TSO中所有可能的执行顺序如下：,可以看到，TSO中可以出现Load比Store先执行的情况，从而导致结果r1和r2均为0。,在RMO中允许更进一步的乱序执行，如只保证以下顺序：,由于如TSO、RMO等内存模型中访存指令的执行顺序不确定，因此硬件上提供了利用原子指令和栅障指令（称为fence或barrier等）来进行同步。程序中将需要同步的地方手动将其用原子指令和栅障指令进行标记，就能将目标代码同步。,下面用一个例子进行说明：,其中FENCE指令保证前后的访存指令顺序一致。最后访存指令的顺序为：S1,S2->F1->S3->L1->F2->L2,L3，结果(r1, r2, r3) = (SET, NEW, NEW)。,如果中间的FENCE指令去掉，那么可能会出现r2和r3为0的情况。,根据loongarch架构手册中相关信息，其采用弱一致性（Weakly Consistency）的模型。在该模型下，程序员必须通过同步指令将对写共享单元的访问保护起来，以保证多个处理器核对于写共享单元的访问是互斥的。,虽然目前的资料中无法得知loongarch内存一致性模型的具体信息，但可以推测其应该打乱了一些访存指令的顺序，需要借助栅障指令（即fence或barrier指令）进行同步。,loongarch架构下有三种内存访问类型：,例如，在页表项中的MAT（Memory Access Type）域中可以设置对应内存区域的访问类型。MAT值与内存访问类型的关系如下：,通过设置内存访问类型，相当于规定了一片内存区域的内存一致性模型。loongarch手册资料中指出，只有强序非缓存没有副作用，即不打乱访存指令的顺序。,不过loongarch资料中内存一致性模型和内存访问类型并没有详细解释，很多地方存在疑点，只能推测其作用类似于arm上的Normal、Device、Strongly-ordered几种内存模型。,loongarch中栅障指令如下：,loongarch中原子指令如下：,loongarch原子指令的特点与一些RISC架构的原子指令相似，也类似的用ll/sc这样的指令来代替了CAS（compare-and-swap）类型原子指令。ll/sc指令相比于CAS类指令，CAS指令实现锁时可能会有ABA问题，而使用ll/sc指令可以避免这个问题。,下面通过spinlock的实现，说明原子指令和栅障指令的应用。,作为对比，首先介绍linux3.2中arm下spinlock的实现。,lock操作函数如下：,unlock操作函数如下：,可以看到，arm中也有类似的原子指令和栅障指令。其中ldrex/strex指令类似于loongarch中的ll/sc指令。并且lock和unlock函数之后均有栅障指令进行同步。,类似地，loongarch中spinlock也可以仿照上述代码实现：,本文介绍了内存一致性模型、loongarch架构中内存一致性模型相关信息、原子指令和栅障指令的含义和使用方法，并结合自旋锁的案例进行了说明。同时发现，因为目前市场上得到的资料有限，loongarch架构内存一致性模型中还有一些不清楚的地方，需要后面相关厂家完善。,​​想了解更多关于开源的内容，请访问：​​,​​51CTO 开源基础软件社区​​,​​https://ost.51cto.com​​