ARMV8 datasheet学习笔记3：AArch64应用级体系结构之Atomicity

1.前言

Atomicity是内存访问的一个属性，描述为原子性访问，包括single-copy atomicity和multi-copy atomicity

2.基本概念

• observer

可以发起对memory read/write访问的都是observer

• Coherent order

全局一致性，即shareability domain中所有的observer观察到的对同个内存位置的全局的一致的写入动作（顺序）；

注^[1]：属于同一个shareability domain的observers共享memory space，并且能够对同一个地址的memory进行操作。

下面我们用一个具体的例子来说明什么是“single total order”。假设系统中有四个cpu core，分别执行同样的代码：cpux给一个全局变量A赋值为x，然后不断对A进行观察（即load操作）。在这个例子中A分别被四个CPU设定了1、 2、3、4的值，当然，先赋值的操作结果会被后来赋值操作覆盖，最后那个执行的write操作则决定了A变量最后的赋值。假设一次运行后，cpu 1看到的序列是{1,2}，cpu 2看到的序列是{2}，cpu 3看到的序列是{3,2}，cpu 4看到的序列是{4,2}，那么所有的cpu看到的顺序都是符合一个全局的顺序{3,1,4,2}，而各个CPU并没有能够观察到全部的中间过程，但是没 有关系，至少各个cpu观察的结果和那个全局顺序是一致的（consistent）。如果cpu 1看到的序列是{2,1}，那么就不存在一个一致性的全局顺序了，也就不是coherent order了

• Atomicity

是内存访问的一个属性，描述为原子性访问，包括single-copy atomicity和multi-copy atomicity

单核系统上用single-copy atomicity描述内存访问的原子性，多核系统用multi-copy atomicity描述内存访问的原子性

• Single-copy

访存指令只会访问一次内存。

注^[1]：当PE访问内存的时候，例如load指令，这时候会有数据从memory copy到寄存器的动作，如果该指令的内存访问只会触发一次copy的动作，那么就是single-copy。对于加载奇数地址开始的2Byte load指令，其实该指令实际在执行的时候会触发两次的copy动作，那么就不是single-copy，而是multi-copy的（注意：这里的multi-copy并非Multi-copy atomicity中的Multi-copy，后文会描述;

• Single-copy atomic

Single-copy atomicity描述的是单核内存访问指令操作的原子性，分为两部分：

（1）  Single-copy atomicity store overlap store

两个store指令并行操作同一个内存位置，一个store看到的是要么另一个sotre已经执行完毕，要么还没有执行，不会看到执行的中间结果；

例如：有两个store操作，分别是A和B，那么A操作会将所有的bits作为一个原子的、不可分割的整体store，且store过程要么是在B store之前，要么是B store之后

（2）  Single-copy atomicity store overlap load

Store和load如果并行执行，则对load而言要么是store之前的结果，要么是store之后的结果，不会看到中间结果（英文与此有出入？）

注^[1]：overlap指的是并行的意思，两条指令并行;

overlapping byte则指内存操作有重叠的部分。例如加载0x000地址的4-Byte到寄存器和加载0x02地址2-Byte有2个字节的重叠;

原文中"all of the writes from one of the stores ”这里all of the writes是指本次store操作中所涉及的每一个bit，这些bits是一个不可分隔的整体，插入到Coherence order操作序列中

• Single-copy atomicity规则

某个异常级别的内存访问遵循如下规则：

（1）对齐的load或者store操作是Single-copy atomicity的。针对byte的内存操作总是Single-copy atomicity的，2个Bytes的load或者store操作如果地址对齐在2上，那么也是Single-copy atomicity的。其他的可以以此类推；

（2）load pair和store pair指令，如果每个load地址都是对齐的，则被视为两个single-copy atomic read；

（3）Load-Exclusive Pair（加载2个32-bit）指令和Store-Exclusive Pair（写入2个32-bit数据）指令是Single-copy atomicity的

（4）Load-Exclusive/Store-Exclusive pair（加载/存储2个64-bit）中的Store-Exclusive执行成功，会将整个内存位置都更新(？？？)

（5）translation table walks  read a translation table entry是single-copy atomictiy的（指页表查找过程中读取一个页表项是原子的）

（6）向(从)小于等于64bits的浮点或SIMD寄存器load(store)一定数量的数据，如果这些数量的数据被对齐到load(sotre)地址就是single-copy atomicity

（7）向(从)浮点或SIMD寄存器load(store)一个128bit的值，如果load(sotre)地址是64bit对齐的，可以认为是两个single-copy atomicity

• Multy-copy

指访存指令会多次访问内存，如从奇数地址读2字节到寄存器

注^[1]：此与下面的Multy-copy atomicity中的Multy-copy不是一个含义，此处的Multy-copy指的是多次拷贝，Multy-copy atomicity中的Multy-copy指的是多核拷贝的意思，如：系统中有多个CPU core，每一个core都可以对内存系统中的某个特定的地址发起写入操作，系统中有n个CORE，那么就有可能有n个寄存器到memory的copy动作。

• Multy-copy atomicity

Multy-copy atomicity定义的是multiprocessing 环境下，多个store操作的顺序问题以及多个observer之间的交互问题，与single-copy atomicity不是对立的，是两个不同的东西。满足如下条件就认为是multi-copy atomicity：

（1） 系统中对同一个地址的memory的store操作是串行化的，也就是说，对于所有的observer而言，它们观察到的写入操作顺序就是相同的一个序列。这个串行化要求比较狠，高于coherent的要求(???)，也就是说，如果系统中的write操作不是coherent的（多个核上的访存指令对这个内存位置都是coherent oreder？？？），那么也就不是Multi-copy atomicity的。

（2）对一个地址进行的load操作会被block，直到对该地址的写对所有的observer都是可见的(怎么才算可见？？)

3. 基本规则

• Single-copy atomicity规则

某个异常级别的内存访问遵循如下规则：

（1）对齐的load或者store操作是Single-copy atomicity的。针对byte的内存操作总是Single-copy atomicity的，2个Bytes的load或者store操作如果地址对齐在2上，那么也是Single-copy atomicity的。其他的可以以此类推；

（2）load pair和store pair指令，如果每个load地址都是对齐的，则被视为两个single-copy atomic read；

（3）Load-Exclusive Pair（加载2个32-bit）指令和Store-Exclusive Pair（写入2个32-bit数据）指令是Single-copy atomicity的

（4）Load-Exclusive/Store-Exclusive pair（加载/存储2个64-bit）中的Store-Exclusive执行成功，会将整个内存位置都更新(？？？)

（5）translation table walks  read a translation table entry是single-copy atomictiy的（指页表查找过程中读取一个页表项是原子的）

（6）向(从)小于等于64bits的浮点或SIMD寄存器load(store)一定数量的数据，如果这些数量的数据被对齐到load(sotre)地址就是single-copy atomicity

（7）向(从)浮点或SIMD寄存器load(store)一个128bit的值，如果load(sotre)地址是64bit对齐的，可以认为是两个single-copy atomicity

• Multy-copy atomicity规则

（1）对于normal memory，写入操作不需要具备Multi-copy atomicity的特性？？？。

（2）如果是Device类型的memory，并且具备non-Gathering的属性，所有符合Single-copy atomicity要求的write操作指令也都是Multi-copy atomicity的

（3）如果是Device类型的memory，并且具备Gathering的属性，写入操作不需要具备Multi-copy atomicity的特性？？？

5.参考文档

[1] DDI0487A_k_armv8_arm_iss10775.pdf

[2] ARMv8之Atomicity