Linux驱动 原子操作及其原理
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原子操作原理分析
1. 概念
原子操作是指不被打断的操作，即它是最小的执行单位。最简单的原子操作就是一条条的汇编指令(不包括一些伪指令，伪指令会被汇编器解释成多条汇编指令)。在 linux 中原子操作对应的数据结构为 atomic_t，定义如下：
typedef struct {int counter;} atomic_t;
本质上就是一个整型变量，之所以定义这么一个数据类型，是为了让原子操作函数只接受 atomic_t 类型的操作数，如果传入的不是 atomic_t 类型数据，在程序编译阶段就不会通过；另一个原因就是确保编译器不会对相应的值进行访问优化，确保对它的访问都是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。
2. 赋值操作
ARM 处理器有直接对内存地址进行赋值的指令(STR)。
#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))3. 读操作
用 volatile 来防止编译器对变量访问的优化，确保是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。
#define atomic_read(v) (*(volatile int *)&(v)->counter)4. 加操作
使用独占指令完成累加操作。
static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v){unsigned long tmp;
int result;
// 使用独占指令读取，然后执行加操作，独占写失败时就重新执行 __asm__ __volatile__("@ atomic_add\n""1: ldrex %0, [%3]\n"" add %0, %0, %4\n"" strex %1, %0, [%3]\n"" teq %1, #0\n"" bne 1b"
: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)
: "r" (&v->counter), "Ir" (i)
: "cc");}
5. 减操作
对比*加操作*和*减操作*的代码可以看出，它们非常的相似，其实不同的地方就一句，所以现在最新的内核源码中已经使用宏定义 ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op) 来重写了这部分代码。
static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v){unsigned long tmp;
int result;
// 使用独占指令读取，然后执行减操作，独占写失败时就重新执行 __asm__ __volatile__("@ atomic_sub\n""1: ldrex %0, [%3]\n"" sub %0, %0, %4\n"" strex %1, %0, [%3]\n"" teq %1, #0\n"" bne 1b"
: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)
: "r" (&v->counter), "Ir" (i)
: "cc");}
6. 其他操作
类似的原子操作函数还有一些，比如 atomic_XXX_return、atomic_cmpxchg、atomic_clear_mask，以及在此基础上实现的 atomic_inc、atomic_dec、atomic_XXX_and_test、atomic_XXX_return等。以上代码都是针对 SMP 处理器的实现方式，针对非 SMP 处理器，由于不存在其他核心的抢占，所以只需要防止其他进程抢占即可实现原子操作，例如*加操作*：
static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v){unsigned long flags;
int val;
// 通过关闭中断防止其他进程打断代码的执行 raw_local_irq_save(flags);
val = v->counter;
v->counter = val -= i;
// 恢复中断原始的状态 raw_local_irq_restore(flags);
return val;}
7. ldrex 和 strex 使用说明
在Armv6开始支持多核，通过ldrex与strex指令来保证数据操作的原子性，比如自旋锁的上锁操作、原子变量操作等。在Armv6之前，都是单核，为保证数据的原子性，需要进行关中断操作。对于多核平台，关中断操作只能关闭本核中断，要想对数据进行原子操作，必须借助ldrex指令与strex。
独占加载和存储寄存器。
语法
LDREX{cond} Rt, [Rn {, #offset}]
STREX{cond} Rd, Rt, [Rn {, #offset}]
LDREXB{cond} Rt, [Rn] 字节加载
STREXB{cond} Rd, Rt, [Rn] 字节存储
LDREXH{cond} Rt, [Rn] 半字加载
STREXH{cond} Rd, Rt, [Rn] 半字存储
LDREXD{cond} Rt, Rt2, [Rn] 双字加载
STREXD{cond} Rd, Rt, Rt2, [Rn] 双字存储
其中：
cond
是一个可选的条件代码（请参阅条件执行）。
Rd
是存放返回状态的目标寄存器。
Rt
是要加载或存储的寄存器。
Rt2
为进行双字加载或存储时要用到的第二个寄存器。
Rn
是内存地址所基于的寄存器。
offset
为应用于 Rn 中的值的可选偏移量。offset 只可用于 Thumb-2 指令中。如果省略 offset，则认为偏移量为 0。
LDREX
LDREX 可从内存加载数据。
如果物理地址有共享 TLB 属性，则 LDREX 会将该物理地址标记为由当前处理器独占访问，并且会清除该处理器对其他任何物理地址的任何独占访问标记。
否则，会标记：执行处理器已经标记了一个物理地址，但访问尚未完毕。
STREX
STREX 可在一定条件下向内存存储数据。条件具体如下：
如果物理地址没有共享 TLB 属性，且执行处理器有一个已标记但尚未访问完毕的物理地址，那么将会进行存储，清除该标记，并在Rd 中返回值 0。
如果物理地址没有共享 TLB 属性，且执行处理器也没有已标记但尚未访问完毕的物理地址，那么将不会进行存储，而会在Rd 中返回值 1。
如果物理地址有共享 TLB 属性，且已被标记为由执行处理器独占访问，那么将进行存储，清除该标记，并在Rd 中返回值 0。
如果物理地址有共享 TLB 属性，但没有标记为由执行处理器独占访问，那么不会进行存储，且会在Rd 中返回值 1。
限制
r15 不可用于 Rd、Rt、Rt2 或 Rn 中的任何一个。
对于 STREX，Rd 一定不能与Rt、Rt2 或Rn 为同一寄存器。
对于 ARM 指令：
Rt 必须是一个编号为偶数的寄存器，且不能为 r14
Rt2 必须为R(t+1)
不允许使用 offset。
对于 Thumb 指令：
r13 不可用于 Rd、Rt 或Rt2 中的任何一个
对于 LDREXD，Rt 和Rt2 不可为同一个寄存器
offset 的值可为 0-1020 范围内 4 的任何倍数。
用法
利用 LDREX 和 STREX 可在多个处理器和共享内存系统之前实现进程间通信。
出于性能方面的考虑，请将相应 LDREX 指令和 STREX 指令间的指令数控制到最少。
Note
STREX 指令中所用的地址必须要与近期执行次数最多的 LDREX 指令所用的地址相同。如果使用不同的地址，则STREX 指令的执行结果将不可预知。
体系结构
ARM LDREX 和 STREX 可用于 ARMv6 及更高版本中。
ARM LDREXB、LDREXH、LDREXD、STREXB、STREXD 和STREXH 可用于 ARMv6K 及更高版本中。
所有这些 32 位 Thumb 指令均可用于 ARMv6T2 及更高版本，但 LDREXD 和 STREXD 在 ARMv7-M 架构中不可用。
这些指令均无 16 位版本。
示例
MOV r1, #0x1 ; load the ‘lock taken’ value
try
LDREX r0, [LockAddr] ; load the lock value
CMP r0, #0 ; is the lock free?
STREXEQ r0, r1, [LockAddr] ; try and claim the lock
CMPEQ r0, #0 ; did this succeed?
BNE try ; no – try again
.... ; yes – we have the lock
8. ldrex使用问题
ldrex与strex指令的结合确实强大，对于一些古老的多核处理器，需要锁总线来保证数据原子操作(如x86)，这样会导致访问效率降低。而ldrex和strex没有进行锁总线操作，并且在两条指令之间可以对变量进行复杂的操作，不仅仅是加1减1操作。但是也需要注意ldrex与strex指令要想正常工作，也是有前提的，笔者在开发ti 66AH2H（4核cortex-A15）平台BSP时，就遇到了这个问题，先看下ARM手册对于ldrex指令的相关说明：
上述内容来源于ARM官方文档（DDI0438I_cortex_a15_r4p0_trm.pdf），主要表达意思就是对于ldrex和strex指令的支持需要global monitor，而global monitor的实现由两种，一种是内部实现，需要开启cache。另一种是外部实现（和芯片有关系，有的芯片没有实现），通过总线监听的方式。当内部和外部都实现时，优先使用内部global monitor。笔者在开发ti 66AH2H（4核cortex-A15）平台BSP时，就在没有开启cache时使用了ldrex指令，系统工作异常，这也说明了66AH2H没有实现外部global monitor。同样是ti cortex-A15(AM5728)，就实现了外部global monitor，zynq 7000双核cortex-A9(Armv7-A)也可以在不开启cache时使用ldrex指令，外部global monitor是否实现与芯片有关系，为安全起见，尽量不在开启cache前使用ldrex和strex指令。
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