自己动手写CPU之第九阶段（7）——MIPS32中的LL、SC指令说明

将陆续上传新书《自己动手写CPU》，今天是第46篇。

在MIPS32指令集中有两条特殊的存储载入指令：链接载入指令LL、条件存储指令SC，本次将介绍这两条指令。在兴许将实现这两条指令。

9.6 链接载入指令ll、条件存储指令sc说明

在本章前面的部分，笔者花费非常多笔墨介绍了OpenMIPS中除ll、sc之外的载入、存储指令的实现过程，本节至9.9节将专门介绍链接载入指令ll、条件存储指令sc的实现过程。ll、sc指令是MIPS32指令集架构中比較特殊的载入存储指令。用来实现信号量机制。

在多线程系统中，须要RMW（Read-Modify-Write）操作序列保证对某个资源的独占性，RMW操作序列的含义是，读取内存某个地址的数据。读取的数据经过改动。然后再保存回内存原地址。这个过程不能有不论什么打搅，因此须要建立一个临界区域（Critical Region），临界区域中完毕的操作通常称为原子操作。原子操作不被打搅。操作系统建立临界区域的方式一般是信号量机制，例如以下。

wait（semaphore）;

原子操作;

 signal（semaphore）;

semaphore是一个信号量。为1表示信号量使用中，为0表示信号量空暇。进行原子操作前，使用wait函数查询semaphore的值，假设为1，则等待，否则，将其置为1，開始运行原子操作，操作结束后，signal函数将semaphore置为0，这样其他线程就能够运行原子操作了。

须要注意的是，wait函数的运行也是一个原子操作。是一种“先检測后设置”操作（test-and-set operation），这样的操作一般不希望被外部设备中断，也不希望被其他线程打断。非常多处理器都有专门的指令用来实现“先检測后设置”操作，比方：680x0 CPU、x86 CPU等。这也是一种信号量机制。

MIPS32架构採用特殊的方式实现信号量机制。对于原子操作，MIPS32架构并不保证它一定是原子性的，也就是同意检測和设置在没有原子性保证的情况下执行。但仅仅在它确实原子的执行了的时候才让“设置”生效。MIPS32架构採用链接载入指令ll、条件存储指令sc来实现这样的信号量机制。

ll指令同一般的载入指令一样，从内存中载入一个字，可是，有一点不同。ll指令还会将处理器内部的一个链接状态位LLbit置为1，表明发生了一个链接载入操作。并将链接载入的地址保存到一个特殊寄存器LLAddr中（这个寄存器在多处理器中有作用，OpenMIPS是单处理器，所以在OpenMIPS实现过程中并没有实现LLAddr寄存器）。

ll指令运行完成后，会进行一定的操作（如：改动载入得到的数据）。然后运行sc指令，这能够觉得是一个RMW序列。有例如以下两种情况干扰这个RMW序列。受到干扰后。处理器会设置链接状态位LLbit为0。

• 在ll、sc指令之间产生异常。从而进入异常处理例程。或者发生线程切换，导致RMW序列受到干扰。
• 多处理器的系统中，还有一个CPU改写了RMW序列要操作的内存空间。

对于OpenMIPS而言，仅仅有第1种情况。

运行sc指令时。会对从ll指令開始的RMW序列进行检查。推断是否受到干扰，实际就是推断LLbit是否为1，假设没有受到不论什么干扰，LLbit保持为1。那么操作是原子的，sc指令会对ll指令载入数据的地址进行写回操作，并设置一个通用寄存器的值为1，表示成功，反之不进行写回操作。并设置一个通用寄存器的值为0，表示失败。

ll、sc指令的格式如图9-28所看到的。

从图中可知，能够根据指令码对这2条指令进行区分。

• 当指令中的指令码为6'b110000时。是ll指令，链接载入指令

指令使用方法为：ll rt, offset(base)

指令作用为：从内存中指定的载入地址处，读取一个字节。然后符号扩展至32位，保存到地址为rt的通用寄存器中。

当中载入地址的计算方法例如以下。

载入地址 = signed_extended(offset) + GPR[base]

此外。还要设置链接状态位LLbit为1。

• 当指令中的指令码为6'b111000时，是sc指令，条件存储指令

指令使用方法为：sc rt, offset(base)

指令作用为：假设RMW序列没有受到干扰，也就是LLbit为1，那么将地址为rt的通用寄存器的值保存到内存中指定的存储地址处，同一时候设置地址为rt的通用寄存器的值为1，设置LLbit为0。假设RMW序列受到了干扰，也就是LLbit为0，那么不改动内存，同一时候设置地址为rt的通用寄存器的值为0。当中存储地址的计算方法例如以下。

存储地址 = signed_extended(offset) + GPR[base]

以下通过一个样例体会ll、sc指令的作用，这个样例实现了上面介绍的wait函数。只是此处是使用ll、sc指令实现的。

wait:
ori $1, $0, sem         // sem是信号量的地址，将这个地址赋给寄存器$1

TryAgain:
ll  $2, 0($1)           // 获取信号量的值，保存到寄存器$2
bne $2, $0, WaitForSem  // 假设信号量被占用（其值为1），那么转移到地址WaitForSem
                        // 继续等待；假设信号量空暇（其值为0），那么运行以下的指令

nop
ori $2, $0, 1
sc  $2, 0($1)           // 假设没有被干扰，那么设置信号量被占用（将1保存到信号
                        // 量中）。同一时候，设置寄存器$2为1，反之，不改动信号量。
                        // 设置寄存器$2为0

beq $2, $0, TryAgain    // 假设寄存器$2为0。表示ll、sc指令没有成功，未获取到
                        // 信号量。回到TryAgain继续尝试
nop

jr  $31                  // 反之, 表示ll、sc指令成功，获取到信号量，能够进入
                         // “临界区域”了。调用wait函数时，会将返回地址放在
                         // 寄存器$31，所以此处jr $31指令就是回到调用过程。
                         // 进入临界区域

下一次将改动OpenMIPS以实现LL、SC指令