RISC-V 把原子指令劃分成單獨(dú)的指令擴(kuò)展，命名為 'A'。該擴(kuò)展中主要包含兩部分，一個(gè) LR/SC 指令，即Load-Reserved/Store-Conditional，另外一個(gè)是 AMO 指令，RV32A 有兩種類(lèi)型的原子操作：

• 內(nèi)存原子操作（AMO）

• 加載保留/條件存儲(chǔ)（load reserved / store conditional）

內(nèi)存原子操作(AMO)

AMO是強(qiáng)大的“讀改寫(xiě)”指令，該操作加載rs1指向的存儲(chǔ)器位置的內(nèi)容，并將其存儲(chǔ)在寄存器 rd 中，然后與rs2中的值進(jìn)行二進(jìn)制運(yùn)算，并將結(jié)果保存回rd中，然后再寫(xiě)到rs1指向的存儲(chǔ)器位置。

為什么要amo指令？

AMO指令要求整個(gè)讀出，計(jì)算，寫(xiě)回必須為原子性質(zhì)，就是讀出和寫(xiě)回之間，該存儲(chǔ)器地址不能被其它進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)，通常總線(xiàn)會(huì)鎖定，這樣就支持多核SoC系統(tǒng)。雖然 RISC-V B位操作擴(kuò)展支持一系列復(fù)雜的位控制指令，但Atomic擴(kuò)展并不只是針對(duì)多處理器系統(tǒng)，它還有助于那些必要的位操作需求比較簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)，從而精簡(jiǎn)軟件指令代碼。

AMO自旋鎖的示例如下：

• 先在寄存器t0中放入1（li t0, 1)。

• load加載a0地址中的內(nèi)容到t1中，a0為鎖的地址。

• 比較t1和0(bnez)，t1不等于0則跳轉(zhuǎn)到again，t1不等于0說(shuō)明鎖已經(jīng)被持有。

• 把t0(1)放到a0表示的地址中，含義為上鎖，把a(bǔ)0處的原值放到t1中。

• 比較t1和0(bnez)，t1不等于0則跳轉(zhuǎn)到again，t1不等于0說(shuō)明鎖已經(jīng)被持有。

• 執(zhí)行關(guān)鍵區(qū)Critical section代碼。

• 解鎖，把x0(0)的值賦給(a0)，把(a0)的值交給x0(丟棄)。注意，RISC-V架構(gòu)規(guī)定x0固定為0值。

  
  

再次申明，AMO指令要求整個(gè)讀出，計(jì)算，寫(xiě)回必須為原子性質(zhì)，就是讀出和寫(xiě)回之間，該存儲(chǔ)器地址不能被其它進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)，通?？偩€(xiàn)會(huì)鎖定。AMO指令也可以支持釋放一致性模型，可以通過(guò)指令中的aq/rl位，來(lái)設(shè)置獲取或釋放屬性。

另外還提供 AMO 指令的原因是，它們?cè)诙嗵幚砥飨到y(tǒng)中擁有比加載保留/條件存儲(chǔ)更好的可擴(kuò)展性，例如可以用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的歸約。AMO 指令在于 I/O 設(shè)備通信時(shí)也很有用，可以實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)事務(wù)的原子讀寫(xiě)。這種原子性可以簡(jiǎn)化設(shè)備驅(qū)動(dòng)，并提高 I/O 性能。

LR/SC指令

雖然原子操作能解決多線(xiàn)程的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，但由于會(huì)將總線(xiàn)鎖住，導(dǎo)致其他核無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)，在核數(shù)眾多且頻發(fā)搶鎖的情況下，會(huì)造成總線(xiàn)長(zhǎng)期被鎖的情況，因此引入一種新的互斥類(lèi)型的存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)指令，即LR（load reserved）/SC（store conditional）指令。LR指令是Load Reserved的縮寫(xiě)，讀取保留；SC指令是Store Conditional 的縮寫(xiě)，條件存儲(chǔ)，即load reserved/store conditional。

LR指令是從內(nèi)存地址rs1中加載內(nèi)容到rd寄存器。然后在rs1對(duì)應(yīng)地址上設(shè)置保留標(biāo)記(reservation set)。

SC指令在把rs2值寫(xiě)到rs1地址之前，會(huì)先判斷rs1內(nèi)存地址是否有設(shè)置保留標(biāo)記，如果設(shè)置了，則把rs2值正常寫(xiě)入到rs1內(nèi)存地址里，并把rd寄存器設(shè)置成 0，表示保存成功。如果rs1內(nèi)存地址沒(méi)有設(shè)置保留標(biāo)記，則不保存，并把rd寄存器設(shè)置成1表示保存失敗。不管成功還是失敗，SC指令都會(huì)把當(dāng)前hart 保留的所有保留標(biāo)記全部清除。一個(gè)例子如下：

• 加載舊的值

• 比較舊的值與 a1 是否相等

• 相等則存入新的值

• 如果存入失敗，重新嘗試

• …比較-交換成功之后的代碼…

• 比較-交換不成功