RH850U2A芯片平臺(tái)Spinlock的底層實(shí)現(xiàn)分析

1.RH850U2A上的Splinlock實(shí)現(xiàn)

LDL和STC指令可用于獲取原子讀-寫操作，用于多核系統(tǒng)對內(nèi)存更新進(jìn)行精確處理。LDL和STC指令的操作方式如下。

1.1 Link

每個(gè)CPU只能創(chuàng)建一個(gè)Link（LLbit）。該鏈接包含關(guān)于創(chuàng)建它的地址的信息，并根據(jù)STC指令在該地址是否成功或失敗以及該鏈接是否丟失來進(jìn)行接下來的控制。該鏈接還包括創(chuàng)建鏈接時(shí)的數(shù)據(jù)大小信息，因此，數(shù)據(jù)大小與創(chuàng)建鏈接的LDL指令不同的任何STC指令總是會(huì)失敗，STC指令失敗則該鏈接被刪除。

1.2 Link generation

每個(gè)CPU都能夠生成一個(gè)到Local RAM和cluster RAM的鏈接。

在目標(biāo)RAM上執(zhí)行LDL指令導(dǎo)致鏈接地址被注冊，同時(shí)設(shè)置鏈接標(biāo)志，并響應(yīng)該指令讀取生成鏈接。

(a)每個(gè)CPU的Local RAM

(b)Cluster RAM

每個(gè)CPU都能夠生成一個(gè)到(a)或(b)的鏈接。

1.3 Success in storing

在生成Link之后，存儲(chǔ)將只響應(yīng)執(zhí)行與生成的鏈路對應(yīng)的STC指令而進(jìn)行，也就說說該存儲(chǔ)地址只能通過STC指令寫入。

1.4 Failure in storing

如果鏈路丟失，即使處理相應(yīng)地址的STC指令，存儲(chǔ)也不會(huì)繼續(xù)。當(dāng)處理與鏈接不對應(yīng)的STC指令時(shí)，也不會(huì)繼續(xù)存儲(chǔ)。

個(gè)人理解：Link是一個(gè)抽象概念，通過LDL指令能夠創(chuàng)建一個(gè)link，且每個(gè)CPU只能創(chuàng)建一個(gè)Link，通過STC指令能改寫CPU Link的RAM的值。

1.5 Condition for successful storing

如果滿足以下條件，則判定STC指令為與該鏈路對應(yīng)的地址:

生成鏈接的LDL指令的地址和大小與STC指令的地址和大小相匹配。

1.6 Loss of the link

當(dāng)滿足某些事件或地址條件時(shí)，鏈接將丟失。表1顯示了Link loss情況。如果滿足此表中所示的任何條件，則一個(gè)鏈接就會(huì)丟失。

Table 1 Link Loss Conditions

Note: 在Local RAM中，如果執(zhí)行了除STC/CAXI指令以外的存儲(chǔ)指令，則鏈接并不總是丟失。因此，觸使Link Loss的指令程序流是可以不需要的。例如，在接下來的示例代碼中，在使用LDL指令讀取鎖變量后，只有在沒有鎖的情況下才執(zhí)行STC指令，如果鎖已經(jīng)存在（Link已經(jīng)建立）則通過Lock Release對應(yīng)的Link Loss程序流就是不需要的。


也就是說，LDL指令Link成功，STC指令存儲(chǔ)成功（創(chuàng)建一個(gè)Lock），之后的ST等存儲(chǔ)指令用于Link Loss才是有意義的。也就是只有GetSpinlock成功之后才能ReleaseSpinlock.

1.7 示例代碼

通過使用LDL.W和STC.W指令執(zhí)行的自旋鎖的示例代碼如下所示。

一行一行的來分析這段匯編代碼：

MOV lock_adr, r20//lock_adr這個(gè)地址值賦值給r20寄存器，lock_adr可以理解為一個(gè)存在于RAM的全局變量的地址。

LDL.W [r20], r21//以原子操作的方式加載r20寄存器保存的地址所在的值給r21寄存器。這個(gè)指令執(zhí)行完后，r20存儲(chǔ)lock_adr地址值（全局變量的地址），r21保存了lock_adr地址指向的具體變量值（全局變量的值）。Link Generation.

CMP r0, r21//r0寄存器中值與r21寄存器中的值進(jìn)行比較。

Note 1: r0是Zero寄存器，其值永遠(yuǎn)為0.

Note 2: CMP指令的結(jié)果在程序狀態(tài)字寄存器的PSW.Z bit上體現(xiàn)，比較的兩個(gè)值如果相等則PSW.Z =1;反之，比較的兩個(gè)值不相等，則PSW.Z = 0.

BNZ lock_wait//如果上一次的cmp結(jié)果不為0，則跳轉(zhuǎn)到lock_wait標(biāo)識(shí)符地址處往下執(zhí)行。

MOV 1, r21//將1賦值給r21寄存器。r21寄存器中保存的值為1.

STC.Wr21, [r20]//將r21寄存器保存的值（1）賦值給r20保存的地址指向的變量。Success in storing.

CMPr0, r21//比較r0（always retains 0）和r21寄存器中保存的值（也就是比較0和1）。

BNZlock_success//如果上一次的cmp結(jié)果不為0，則跳轉(zhuǎn)到lock_success標(biāo)識(shí)符地址處往下執(zhí)行。

Lock_wait: SNOOZE

Note: SNOOZE指令是一種在自旋鎖期間減少總線帶寬使用的指令。該指令完成后，CPU核心進(jìn)入臨時(shí)停止?fàn)顟B(tài)，以限制后續(xù)指令的執(zhí)行。程序員可以通過將此指令插入到一個(gè)自旋鎖循環(huán)中，從而避免由于短期重復(fù)鎖定過程而導(dǎo)致的不必要的總線帶寬的使用。

BR Lock//無條件跳轉(zhuǎn)到Lock標(biāo)識(shí)符處

Lock_success://一個(gè)標(biāo)識(shí)符，運(yùn)行到這里表明get spinlock成功，繼續(xù)往下執(zhí)行。

ST.Wr0, 0[r21]//王r21寄存器保存的地址值指向的變量寫入0值。Release spinlock.

2.Spinlock代碼分析

2.1 嘗試獲取Spinlock

準(zhǔn)備獲取Spinlock的時(shí)候，外部就是一個(gè)While循環(huán)，直到成功獲取到Spinlock，否則就會(huì)“自旋”。

2.2 釋放Spinlock

釋放Spinlock對應(yīng)的C代碼，只需將標(biāo)識(shí)Spinlock的全局變量賦值為0即可（對應(yīng)ST.W r0, 0[r21]的匯編代碼）。

3.總結(jié)

本文詳細(xì)分析了Spinlock在RH850U2A芯片平臺(tái)上的底層實(shí)現(xiàn)，著重需要理解RH850U2A芯片架構(gòu)中的Link概念。Spinlock對應(yīng)的底層兩個(gè)特殊的匯編指令：LDL.W和STC.W. 在C語言環(huán)境下調(diào)用GetSpinlock()的具體實(shí)現(xiàn)也就是調(diào)用OS_LDLW()和STC_STCW()。值得注意的是，Spinlock的底層實(shí)現(xiàn)和具體芯片特性相關(guān)，其他芯片平臺(tái)（比如Tricore芯片）的底層具體實(shí)現(xiàn)可能就不一樣了，需要具體分析。

問題：如何理解Spinlok自旋鎖中的”自旋“的含義？

答：“自旋”對應(yīng)底層的SNOOZE指令。當(dāng)前CPU(Core x)執(zhí)行LDL.W沒有建立Link后，CPU執(zhí)行SNOOZE指令暫停一個(gè)機(jī)器周期，隨后再次嘗試去執(zhí)行LDL.W指令，直到建立Link成功（其他CPU釋放Spinlock），這個(gè)過程對應(yīng)“自旋”的含義。

審核編輯：劉清