RISC-V中，有两类原子操作指令：

⚫ 内存原子操作（AMO）

⚫ 加载保留/条件存储（load reserved / store conditional）

此处我们先看下LR和SC指令；

引入的原因

       编程语言的开发者会假定体系结构提供了原子的比较-交换（compare-and-swap）操作：

       比较一个寄存器中的值和另一个寄存器中的内存地址指向的值，如果它们相等，将第三个寄 存器中的值和内存中的值进行交换。

       这是一条通用的同步原语，其它的同步操作可以以它为 基础来完成；

       LR/SC的引入，就是为了实现这个操作；

具体规格

部分内容转载自：RISC-V 原子指令介绍 - 泰晓科技 (tinylab.org)

lr.{w/d}.{aqrl} rd, (rs1)

r 指令是从内存地址 rs1 中加载内容到 rd 寄存器。然后在 rs1 对应地址上设置保留标记(reservation set)。其中 w/d 分别对应 32 位/64 位版本。

sc.{w/d}.{aqrl} rd, rs2, (rs1)

• sc 指令在把 rs2 值写到 rs1 地址之前，会先判断 rs1 内存地址是否有设置保留标记
• 如果设置了，则把 rs2 值正常写入到 rs1 内存地址里，并把 rd 寄存器设置成 0，表示保存成功。如果 rs1 内存地址没有设置保留标记，则不保存，并把 rd 寄存器设置成 1 表示保存失败。
• 不管成功还是失败，sc 指令都会把当前 hart 保留的所有保留标记全部清除。其中 w/d 分别对应 32 位/64 位版本。

     

注意事项：

• RISC-V 的 Spec 中只规定了 sc 指令如果失败了，会往 rd 寄存器中写入非零值，并不一定是 1；
• 对于 lr/sc 指令，要求 rs1 寄存器中的地址是按宽度对齐的，比如 lr.w 要求 4 字节对齐，sc.d 要求 8 字节对齐。否则会触发非对齐异常。
• RISC-V 对 LR 和 SC 之间的指令是有限制的：
  • LR 和 SC 之间最大只能包含 16 个指令；
  • 这些指令只能使用基础整数指令集（指令集 “I”，不包含内存访问指令，跳转指令，fence 和 system 指令；
  • 如果违反了这些限制，LR/SC 指令的效果是不受约束的，可能在一些芯片实现上能保证原子性，在另外一些芯片实现上不能保证。
• SC指令不一定执行成功，只有满足后面这四个条件，它才能执行成功：
  • LR和SC指令成对地访问相同的地址。
  • LR和SC指令之间没有任何其它的写操作（来自任何一个hart）访问同样的地址。-
  • LR和SC指令之间没有任何中断与异常发生。-
  • LR和SC指令之间没有执行MRET指令。

Memory order

部分参考：RISC-V原子指令LR/SC_riscv lr sc-CSDN博客

• RISC-V 和 ARM 类似，内存模型都是弱内存模型(relax memory model)，这意味着，在不加额外限制的情况下，内存访问指令并不会完全按照指令顺序执行。
• RISC-V 有一个 FENCE 指令，可以用来显式添加内存顺序限制。
• 为了提高效率，RISC-V 为每个原子指令都预留 aq/rl 两个比特位，从而可以很方便在原子指令上施加额外的内存顺序限制。
• 原子指令是用来在不同 hart 之间做同步用的，而内存访问顺序强调的是同一个 hart 内的执行顺序。
• LR/SC 和 AMO 指令就是通过这两个后缀来添加额外的内存顺序限制
• 每个指令的这两个bit的组合代表的含义如下：