ARM系列-CHI（六）

因为一些事情，停更了两个月，让大家久等了。

今天来看一下独占访问（Exclusive Accesses）。什么是独占访问呢？就是处理器对某个内存地址的数据，在某个时间段内享有独有的访问。为什么要有独占访问，或者说何时需要独占访问呢？举个简单例子，假设在银行的服务器上，一个进程负责处理某个用户的账户余额，如果别的进程也来修改这段的数据，那么就需要一定的机制保证这段数据不会乱掉。直观的想法，就是给这段数据加上“锁”，只有“锁”的拥有者才有访问权限。当拥有者访问完毕后，需要去掉“锁”，这样别的处理器/进程可以继续访问。“锁”的形式有很多种，有很多文章在研究，感兴趣的同学可以去搜搜。其中一个比较常见的算法是CAS（Compare And Set），顾名思义，就是读出某段内存地址的数据，如果跟期望值一样，那么就改写该数据，如果与期望值不一样，就认为此次操作失败。对应到处理器端的操作，最简单的机制是先读出数据，计算新的数据值，再次读出该地址数据，如果与第一次读出的值一样，就认为这段时间内没有其它访问，可以把新数据写回，完成此次操作；如果第二次读出的数据与第一次读出的数据值不一样，就认为在这段时间内该数据肯定被其它进程修改过，此次操作失败。

细心的同学可以从上面的描述中看出，这种算法偏乐观了，在实际应用中，有一个很大的问题，那就是比较有名的ABA问题。来看下面的例子：

进程a读取地址X的数据，得到数据值A，并进行新值计算；

进程b把地址X的数据值改为B，随即又改回A；

进程a再次读取地址X的数据，得到数据值A，与第一次的数据值比较，发现一样，把新值写回。

在进程a的操作过程中，地址X的数据经历了A->B->A的过程，但是进程a并不知道！为了解决ABA问题，有很多人研究出不少方法，此处篇幅有限，不展开讨论。说了半天，其实就是为了解释一下独占访问。

A系列处理器为了支持CAS，有相关的指令，叫LDREX和STREX。需要说一下的是，LDREX和STREX是对内存中的一个字（Word，32bit）进行独占访问的指令。如果想独占访问的内存区域不是一个字，还有其它的指令，LDREXB和STREXB是对内存中的一个字节（Byte，8 bit）进行独占访问；LDREXH和STREXH是对内存中的一个半字（Half Word，16 bit）进行独占访问；LDREXD和STREXD是对内存中的一个双字（Double Word，64 bit）进行独占访问。它们必须配对使用，不能混用。如果大家想学关于exclusive load和exclusive store更多的知识，可以上网去搜一下关于MIPS的load-link（ll）和store-conditional（sc），应该能找到更多的文章。

不扯太远，书归正题。在CHI协议中，独占访问的原则是，需要独占访问的逻辑处理器（logical processor，LP）需要完成下列操作：

执行对一个地址的Exclusive Load；

对该地址的数据进行计算；

执行对该地址的Exclusive Store；

CHI支持两种形式的独占访问：

对Snoopable内存地址的独占访问；

对Non-snoopable内存地址的独占访问；

为了实现独占访问，ARM系统中还特别提供了“独占监视器（Exclusive Monitor）”。Monitor的位置，以及为支持独占访问而生成的请求类型，取决于地址的内存属性。对于snoopable的内存地址，需要采用两个monitors：

LPmonitor：RN-F内的每个LP都必须实现一个exclusive monitor，用于监控一个独占序列（exclusive sequence）的地址信息。LP在执行Exclusive Load时，LP monitor会置位；LP monitor在下面情况会复位：

LP收到相同地址的无效snoop请求，表明该地址已经被其它LP更新了。

同一个LP对该地址产生的store操作。如果store是由同一个LP采用非独占命令产生的，那么LP monitor是否复位是由实现具体决定的。

PoCmonitor：HN-F必须实现一个PoC monitor，用于判定Exclusive Store事务的结果是成功还是失败。如果成功，表明该transaction已经对其它一致性RN-F节点可见。如果失败，表明该transaction没有对其它一致性RN-F节点可见，因此Exclusive Store不能成功。对PoC monitor的最低要求就是它能记录任何LP何时执行与独占序列相关的Snoopable事务。PoC monitor必须能够支持对系统中所有具有独占功能的LP进行并行监控。当HN-F从某个LP收到一笔和Exclusive Load或Exclusive Store相关的transaction后，PoC monitor会记录该LP正尝试进行一个独占序列操作。若是HN-F收到一笔Exclusive Store，如果PoC monitor已注册该LP正在执行排他序列，即它没有被来自另一个LP的排他存储事务重置，则排他存储事务成功并被允许继续。在这种情况下，必须重置所有其他LP的注册尝试；如果PoC monitor并未注册该LP正在执行独占序列，即它已被另一个LP的独占存储重置，则独占存储事务失败，不允许继续。监视器必须注册LP正在尝试的独占序列。

对于Non-snoopable内存地址空间，使用一个monitor：

System monitor：系统监视器会跟踪对Non-snoopable地址空间的独占访问。系统监视器接收到ReadNoSnp(Excl)事务后会置位，也会被其它同地址LP的改写而复位。系统监视器可以放置于PoS或终端设备处。考虑到系统中终端设备的数量比PoS的数目多，将System monitor放置于PoS处可以：减少系统监视器的重复，同时也可以减少系统检测独占访问失败的时间。系统监视器必须放置于可以观测到所有transactions的地方。

下面这些transactions可以使用Excl bit来支持独占访问：

Exclusive Load transaction to a Snoopable location:

    ReadClean.

ReadNotSharedDirty.

ReadShared.

Exclusive Store transaction to a Snoopable location:

CleanUnique.

Exclusive Load transaction to a Non-snoopable location:

ReadNoSnp.

Exclusive Store transaction to a Non-snoopable location:

WriteNoSnp.

下面的表格是spec给出的request的snoopable属性，相关监视器类型以及失败条件和响应要求的可能原因。

Spec中的6.3.3章节对Snoopable位置的独占访问进行了详细的解释，这里就不再翻译赘述了。

【未完】