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ARM體系架構下的同步操作

作者: 時(shí)間:2016-11-09 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
處理器在訪(fǎng)問(wèn)共享資源時(shí),必須對臨界區進(jìn)行同步,即保證同一時(shí)間內,只有一個(gè)對臨界區的訪(fǎng)問(wèn)者。

當共享資源為一內存地址時(shí),原子操作是對該類(lèi)型共享資源同步訪(fǎng)問(wèn)的最佳方式。

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201611/317839.htm

隨著(zhù)應用的日益復雜和SMP的廣泛使用,處理器都開(kāi)始提供硬件同步原語(yǔ)以支持原子地更新內存地址。

CISC處理器比如IA32,可以提供單獨的多種原子指令完成復雜的原子操作,由處理器保證讀-修改-寫(xiě)回過(guò)程的原子性。

而RISC則不同,由于除Load和Store的所有操作都必須在寄存器中完成,

如何保證從裝載內存地址到寄存器,到修改寄存器中的值,再到將寄存器中的值寫(xiě)回內存中可以原子性的完成,便成為了處理器設計的關(guān)鍵。

ARMv6架構開(kāi)始,ARM處理器提供了Exclusive accesses同步原語(yǔ),包含兩條指令:

LDREXSTREX

LDREX和STREX指令,將對一個(gè)內存地址的原子操作拆分成兩個(gè)步驟,

同處理器內置的記錄exclusive accesses的exclusive monitors一起,完成對內存的原子操作。

LDREX

LDREX與LDR指令類(lèi)似,完成將內存中的數據加載進(jìn)寄存器的操作。

與LDR指令不同的是,該指令也會(huì )同時(shí)初始化exclusive monitor來(lái)記錄對該地址的同步訪(fǎng)問(wèn)。例如

LDREX R1, [R0]

會(huì )將R0寄存器中內存地址的數據,加載進(jìn)R1中并更新exclusive monitor。

STREX

該指令的格式為:

STREX Rd, Rm, [Rn]

STREX會(huì )根據exclusive monitor的指示決定是否將寄存器中的值寫(xiě)回內存中。

如果exclusive monitor許可這次寫(xiě)入,則STREX會(huì )將寄存器Rm的值寫(xiě)回Rn所存儲的內存地址中,并將Rd寄存器設置為0表示操作成功。

如果exclusive monitor禁止這次寫(xiě)入,則STREX指令會(huì )將Rd寄存器的值設置為1表示操作失敗并放棄這次寫(xiě)入。

應用程序可以根據Rd中的值來(lái)判斷寫(xiě)回是否成功。

在這篇文章里,首先會(huì )以L(fǎng)inux Kernel中ARM架構的原子相加操作為例,介紹這兩條指令的使用方法;

之后,會(huì )介紹GCC提供的一些內置函數,這些同步函數使用這兩條指令完成同步操作。

Linux Kernel中的atomic_add函數

如下是Linux Kernel中使用的atomic_add函數的定義,它實(shí)現原子的給 v 指向的atomic_t增加 i 的功能。

1 static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)2 {3         unsigned long tmp;4         int result;5 6         __asm__ __volatile__("@ atomic_addn"7 "1:     ldrex   %0, [%3]n"8 "       add     %0, %0, %4n"9 "       strex   %1, %0, [%3]n"10 "       teq     %1, #0n"11 "       bne     1b"12         : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)13         : "r" (&v->counter), "Ir" (i)14         : "cc");15 }

在第7行,使用LDREX指令將v->counter所指向的內存地址的值裝入寄存器中,并初始化exclusive monitor。

在第8行,將該寄存器中的值與i相加。

在第9,10,11行,使用STREX指令嘗試將修改后的值存入原來(lái)的地址,

如果STREX寫(xiě)入%1寄存器的值為0,則認為原子更新成功,函數返回;

如果%1寄存器的值不為0,則認為exclusive monitor拒絕了本次對內存地址的訪(fǎng)問(wèn),

則跳轉回第7行重新進(jìn)行以上所述的過(guò)程,直到成功將修改后的值寫(xiě)入內存為止。

該過(guò)程可能多次反復進(jìn)行,但可以保證,在最后一次的讀-修改-寫(xiě)回的過(guò)程中,沒(méi)有其他代碼訪(fǎng)問(wèn)該內存地址。

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");}

輸入為v(原子變量),i(要設置的值),均存放在動(dòng)態(tài)分配的寄存器中。tmp用來(lái)指示操作是否成功。

GCC內置的原子操作函數

看了上面的GCC內聯(lián)匯編,是不是有點(diǎn)暈?

在用戶(hù)態(tài)下,GCC為我們提供了一系列內置函數,這些函數可以讓我們既享受原子操作的好處,

又免于編寫(xiě)復雜的內聯(lián)匯編指令。這一系列的函數均以__sync開(kāi)頭,分為如下幾類(lèi):

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, ...)

這一系列函數完成對ptr所指向的內存地址的對應操作,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, ...)

這一系列函數完成對ptr所指向的內存地址的對應操作,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, ...)

這兩個(gè)函數完成對變量的原子比較和交換。

即如果ptr所指向的內存地址存放的值與oldval相同的話(huà),則將其用newval的值替換。

返回bool類(lèi)型的函數返回比較的結果,相同為true,不同為false;

返回type的函數返回的是ptr指向地址交換前存放的值。

LDREX 和 STREX

獨占加載和存儲寄存器。

語(yǔ)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

是一個(gè)可選的條件代碼(請參閱條件執行)。

Rd

是存放返回狀態(tài)的目標寄存器。

Rt

是要加載或存儲的寄存器。

Rt2

為進(jìn)行雙字加載或存儲時(shí)要用到的第二個(gè)寄存器。

Rn

是內存地址所基于的寄存器。

offset

為應用于Rn中的值的可選偏移量。offset只可用于 Thumb-2 指令中。 如果省略offset,則認為偏移量為 0。

LDREX

LDREX可從內存加載數據。

  • 如果物理地址有共享 TLB 屬性,則LDREX會(huì )將該物理地址標記為由當前處理器獨占訪(fǎng)問(wèn),并且會(huì )清除該處理器對其他任何物理地址的任何獨占訪(fǎng)問(wèn)標記。

  • 否則,會(huì )標記:執行處理器已經(jīng)標記了一個(gè)物理地址,但訪(fǎng)問(wèn)尚未完畢。

STREX

STREX可在一定條件下向內存存儲數據。 條件具體如下:

  • 如果物理地址沒(méi)有共享 TLB 屬性,且執行處理器有一個(gè)已標記但尚未訪(fǎng)問(wèn)完畢的物理地址,那么將會(huì )進(jìn)行存儲,清除該標記,并在Rd中返回值 0。

  • 如果物理地址沒(méi)有共享 TLB 屬性,且執行處理器也沒(méi)有已標記但尚未訪(fǎng)問(wèn)完畢的物理地址,那么將不會(huì )進(jìn)行存儲,而會(huì )在Rd中返回值 1。

  • 如果物理地址有共享 TLB 屬性,且已被標記為由執行處理器獨占訪(fǎng)問(wèn),那么將進(jìn)行存儲,清除該標記,并在Rd中返回值 0。

  • 如果物理地址有共享 TLB 屬性,但沒(méi)有標記為由執行處理器獨占訪(fǎng)問(wèn),那么不會(huì )進(jìn)行存儲,且會(huì )在Rd中返回值 1。

限制

r15 不可用于Rd、Rt、Rt2或Rn中的任何一個(gè)。

對于STREX,Rd一定不能與Rt、Rt2或Rn為同一寄存器。

對于 ARM 指令:

  • Rt必須是一個(gè)編號為偶數的寄存器,且不能為 r14

  • Rt2必須為R(t+1)

  • 不允許使用offset。

對于 Thumb 指令:

  • r13 不可用于Rd、Rt或Rt2中的任何一個(gè)

  • 對于LDREXD,Rt和Rt2不可為同一個(gè)寄存器

  • offset的值可為 0-1020 范圍內 4 的任何倍數。

用法

利用LDREX和STREX可在多個(gè)處理器和共享內存系統之前實(shí)現進(jìn)程間通信。

出于性能方面的考慮,請將相應LDREX指令和STREX指令間的指令數控制到最少。

Note

STREX指令中所用的地址必須要與近期執行次數最多的LDREX指令所用的地址相同。
如果使用不同的地址,則STREX指令的執行結果將不可預知。

體系結構

ARMLDREX和STREX可用于 ARMv6 及更高版本中。

ARMLDREXB、LDREXH、LDREXD、STREXB、STREXD和STREXH可用于 ARMv6K 及更高版本中。

所有這些 32 位 Thumb 指令均可用于 ARMv6T2 及更高版本,但LDREXD和STREXD在 ARMv7-M 架構中不可用。

這些指令均無(wú) 16 位版本。

示例

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

arm/include/asm/atomic.h?v=2.6.33" rel="external nofollow noreferrer" target="_blank">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 #include #include #define ATOMIC_INIT(i)  { (i) }#ifdef __KERNEL__/** On ARM, ordinary assignment (str instruction) doesnt 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_addn""1:     ldrex   %0, [%2]n""       add     %0, %0, %3n""       strex   %1, %0, [%2]n""       teq     %1, #0n""       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_returnn""1:     ldrex   %0, [%2]n""       add     %0, %0, %3n""       strex   %1, %0, [%2]n""       teq     %1, #0n""       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_subn""1:     ldrex   %0, [%2]n""       sub     %0, %0, %3n""       strex   %1, %0, [%2]n""       teq     %1, #0n""       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_returnn""1:     ldrex   %0, [%2]n""       sub     %0, %0, %3n""       strex   %1, %0, [%2]n""       teq     %1, #0n""       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_cmpxchgn""ldrex  %1, [%2]n""mov    %0, #0n""teq    %1, %3n""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_maskn""1:     ldrex   %0, [%2]n""       bic     %0, %0, %3n""       strex   %1, %0, [%2]n""       teq     %1, #0n""       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#endifstatic 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 #endif#endif




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