ARMV8 datasheet學習筆記3：AArch64應用級體系結構之Synchronization and semapores

1.前言

 本文主要介紹原子變量的實現原理，對原子變量的修改有一套特殊的機制

2. Local monitor和Global monitor

• UP時執行Load EX和Store EX時僅需關注Local Monitor的狀態即可

圖 UP時Local Monitor和Global Monitor

• SMP時執行Load EX和Store EX時需關注Local Monitor和Global Monitor的狀態

圖 SMP時Local Monitor和Global Monitor

3. Exclusive access instructions and Non-shareable memory locations

Non-hareable內存指的是具有內部共享屬性的的一塊存儲區域。它僅會在本PE內部進行共享

 

圖 Local Monitor狀態機圖 

• Load-Exclusive

Load-Exclusive指令執行時local monitor標記PE執行load EX的地址為獨占，local monitor由Open Access狀態轉換為Exclusive Access狀態；

• Store-Exclusive

依賴local monitor的狀態：

（1）如果local monitor 為Exclusive Access狀態

如果store的地址為先前load EX訪問時的地址，則store EX會發生，並清空獨占地址標記，否則由各個廠商自己定義，狀態值會返回給寄存器，如果store EX發生則狀態值為0，否則狀態值為1；

（2）如果local monitor為Open Access狀態：

不會有store EX發生；狀態值1返回給寄存器，表示store EX沒有發生；狀態local monitor保持open access狀態

 

4. Exclusive access instructions and shareable memory locations

Shareable內存指的是具有內部共享或外部共享屬性的的一塊存儲區域。它會在所有的PE之間進行共享。

圖 SMP Global monitor狀態機

• Load-Exclusive

1. 對於shareable內存，local monitor會將本PE的load EX訪問地址標記，忽略其他PE的訪問請求， store Ex交由global monitor檢查；

2. PE執行load EX時，global monitor會為這個PE標記訪問的物理地址為獨占訪問，這標記主要用於本PE store EX操作，這個獨占訪問標記會被其它PE的load EX清除。

• Store-Exclusive

store EX操作時會檢查global monitor狀態是否對本PE設置獨占標記，如果是則store EX會執行，如果成功會清除global monitor為本PE設置的獨占標記, 並返回狀態0，失敗返回1。

也就是本PE store EX操作只有在gloabal monitor為本PE設置獨占標記的時候才能執行, 任一時刻global monitor至少為一個PE標記地址

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

當執行Load Ex指令時，通過忽略掉64bit內存地址的的LSB來標記一個塊，標記的塊大小為2^a 個Bytes ,標記的塊大小范圍為4~512 words,  由SOC廠家自定義。

例如廠家定義為4個words，則a為4，LDXRB地址 0x341B4 會使用0x341B4的bits[47:4] 標記一個塊為獨占訪問，也就是從0x341B0 到0x341BF被標記為獨占訪問。

6. Context switch support

異常返回會清空local monitor

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

• LoadExcl/StoreExcl pair只有運行在相同的虛擬地址才能成功；
• LoadExcl/StoreExcl pair操作的數據寬度必須相同；
• LoadExcl/StoreExcl pair必須訪問相同數量的寄存器；
• LoadExcl/StoreExcl pair滿足一定的條件才可以繼續運行；
• LoadExcl/StoreExcl pair相隔越近則性能越好，因為相隔近，就會減少mornitor標記被清除的可能性；
• 體系結構設置了LoadExcl/StoreExcl pair設置獨享訪問的地址上限為2048字節。性能考慮，則將獨享訪問范圍分割成設定的粒度，分多次進行訪問；
• 如果接收到data abort異常，則獨享標記是未知的；
• LoadExcl/StoreExcl pair內存訪問屬性必須一致，否則store行為未知；
• LoadExcl/StoreExcl pair之間發生了虛擬地址與物理地址映射的改變，則store EX不會通過monitor的獨占標記檢查；

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

如上指令減少了power consumption and bus contention caused by PEs repeatedly attempting to obtain a spin-lock.這些指令是應用級的

9.參考文檔

[1] Linux內核ARM構架中原子變量的底層實現研究 

[2] DDI0487A_k_armv8_arm_iss10775.pdf