同步与信号量

本章规定 Armv8-M 架构中独占访问指令与非阻塞同步的规则。

1. 独占访问指令¶

Armv8 通过对 Normal 内存与 Device 内存的访问提供同步原语，实现共享内存的非阻塞同步。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

同步原语及相关指令如下：

功能	T32 指令
Load-Exclusive（字节）	`LDREXB`、`LDAEXB`
Load-Exclusive（半字）	`LDREXH`、`LDAEXH`
Load-Exclusive（字）	`LDREX`、`LDAEX`
Store-Exclusive（字节）	`STREXB`、`STLEXB`
Store-Exclusive（半字）	`STREXH`、`STLEXH`
Store-Exclusive（字）	`STREX`、`STLEX`
Clear-Exclusive	`CLREX`

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

Load-Exclusive 指令执行一次从内存的加载，并且：

执行该指令的 PE 将该内存地址标记为独占访问。
执行该指令的 PE 的本地监视器转换到独占访问状态（Exclusive Access state）。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

被标记内存块的大小称为独占保留粒度（Exclusives reservation granule，ERG），它是 IMPLEMENTATION DEFINED 的取值，尺寸为 2 的幂，范围为 4 - 512 个字。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

大小为 ERG 的已标记块通过忽略内存地址的最低有效位产生。已标记地址是该已标记块内的任意地址。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

在某些实现中，CTR 标识独占保留粒度。若非如此，则独占保留粒度按最大 512 个字处理。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

参见：

第 B9.2 节《本地监视器》（The local monitors）。
第 B9.3 节《全局监视器》（The global monitor）。
第 B9.4 节《独占访问指令与监视器》（Exclusive access instructions and the monitors）。
第 B9.5 节《Load-Exclusive 与 Store-Exclusive 指令约束》（Load-Exclusive and Store-Exclusive instruction constraints）。

2. 本地监视器¶

同一 PE 使用 Store-Exclusive 指令修改任意地址的任何未中止尝试，都保证会清除标记。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

当 PE 使用 Store-Exclusive 指令以外的任何指令写入时：

若该写入针对的物理地址未由其本地监视器标记为独占访问，且该本地监视器处于独占访问状态，则该写入是否影响本地监视器的状态是 IMPLEMENTATION DEFINED 的。
若该写入针对的物理地址已由其本地监视器标记为独占访问，则该写入是否影响本地监视器的状态是 IMPLEMENTATION DEFINED 的。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

若对已标记物理地址的存储由标记该物理地址的观察者之外的观察者执行，则该存储是否导致本地监视器中的标记被清除，是 IMPLEMENTATION DEFINED 的。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

本地监视器的状态机如下图所示：

FigureB9-1

本地监视器只有在对图中所示操作之一进行架构执行时，才转换到独占访问状态。

任何非由此处所示操作的架构执行所引起的、本地监视器向开放访问状态（Open Access state）的转换，都不会无限期推迟执行的前进。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

本地监视器不保存任何物理地址，而是把任何访问都视为与上一条 Load-Exclusive 指令的地址匹配。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

本地监视器的实现可以不知道来自其他 PE 的 Load-Exclusive 与 Store-Exclusive 指令。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

架构不要求来自另一个 PE 的、非 Load-Exclusive 指令的加载对本地监视器产生任何影响。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

当存储或 StoreExcl 来自另一个观察者时，从独占访问状态到开放访问状态的转换是否发生，是 IMPLEMENTATION DEFINED 的。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

架构允许本地监视器因推测或其他原因而转换到开放访问状态。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

异常返回会清除本地监视器。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

参见：

第 B9.4 节《独占访问指令与监视器》（Exclusive access instructions and the monitors）。

3. 全局监视器¶

对于系统中的每个 PE，全局监视器：

可以保存至少一个已标记块。
为其可保存的每个已标记块维护一个状态机。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

对每个 PE，架构只要求全局监视器支持单个已标记地址。任何可能受益于在单个 PE 上使用多个已标记地址的情形都是 CONSTRAINED UNPREDICTABLE 的。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

全局监视器既可以位于 PE 执行所在硬件的某个部件中，也可以作为内存接口处的次级监视器存在。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

监视器的 IMPLEMENTATION DEFINED 方面意味着，只要该单元执行本手册中定义的全局监视器功能与本地监视器功能，二者就可以合并为单个单元。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

对于可共享内存位置，在某些实现中、对某些内存类型，全局监视器的特性要求 PE 之外的功能。某些系统实现可能并不对所有内存位置实现该功能。特别是，这可能适用于：

系统实现中不支持硬件高速缓存一致性的任何类型的内存。
在确实支持硬件高速缓存一致性的实现中，Non-cacheable 内存，或被视为 Non-cacheable 的内存。

在此类系统中，由系统定义：

是否实现全局监视器。
若实现了全局监视器，它监视哪些地址范围或内存类型。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

架构上保证实现全局监视器的内存类型只有：

Inner Shareable、Inner Write-Back、Outer Write-Back 的 Normal 内存，带有 Read allocation 提示与 Write allocation 提示，且非 transient。
Outer Shareable、Inner Write-Back、Outer Write-Back 的 Normal 内存，带有 Read allocation 提示与 Write allocation 提示，且非 transient。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

支持原子指令的内存类型集合，包含所有实现了全局监视器的内存类型。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

若某个地址范围或内存类型未实现全局监视器，则在没有任何其他故障的情况下，对此类位置执行 Load-Exclusive/Store-Exclusive 指令会产生以下一种或多种效果：

该指令产生 BusFault。
该指令产生 DACCVIOL MemManage 故障。
该指令被当作 NOP 处理。
Load-Exclusive 指令被当作访问 Non-shareable 位置处理，但本地监视器的状态变为 UNKNOWN。
Store-Exclusive 指令被当作访问 Non-shareable 位置处理，但本地监视器的状态变为 UNKNOWN。
Store-Exclusive 指令的结果寄存器中保存的值变为 UNKNOWN。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。注意，MemManage 故障要求 M && MPU，BusFault 要求 M。

对于未实现独占访问或其他原子访问机制的非 PE 观察者所产生的写事务，这些写入对 Arm PE 所使用的全局监视器与本地监视器的影响是 IMPLEMENTATION DEFINED 的。这些写入可能不会清除其他 PE 的全局监视器，涉及：

某些地址范围。
某些内存类型。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

3.1 Load-Exclusive 与 Store-Exclusive¶

全局监视器对每个 PE 只支持一个针对可共享内存的未完成独占访问。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

架构不要求来自另一个 PE 的、非 Load-Exclusive 指令的加载对全局监视器产生任何影响。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

一个 PE 执行的 Load-Exclusive 指令不影响任何其他 PE 的全局监视器状态。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

Store-Exclusive 指令执行一次对内存的条件存储：

只有当所访问的物理地址被标记为请求 PE 的独占访问，且请求 PE 的本地监视器与全局监视器状态机都处于独占访问状态时，该存储才保证成功。在此情况下：
向一个寄存器返回状态值 0，以确认存储成功。
请求 PE 的全局监视器状态机的最终状态是 IMPLEMENTATION DEFINED 的。
若所访问的地址在任何其他 PE 的全局监视器状态机中被标记为独占访问，则该状态机转换到开放访问状态。
若没有为请求 PE 标记任何地址为独占访问，则该存储不成功：
向一个寄存器返回状态值 1，表示存储失败。
全局监视器不受影响，对请求 PE 保持开放访问状态。
若为请求 PE 标记的是另一个不同的物理地址，则该存储是否成功是 IMPLEMENTATION DEFINED 的：
若存储成功则向寄存器返回值 0，否则返回值 1。
若该 PE 的全局监视器状态机在执行 Store-Exclusive 指令之前处于独占访问状态，则该状态机是否转换到开放访问状态是 IMPLEMENTATION DEFINED 的。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

在共享内存系统中，全局监视器为系统中的每个 PE 实现一个独立的状态机。PE(n) 对可共享内存的访问所用状态机，可以响应其可见的所有可共享内存访问。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

在共享内存系统中，全局监视器为系统中每个可产生 Load-Exclusive 或 Store-Exclusive 指令的观察者实现一个独立的状态机。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

每当某个 PE 的全局监视器状态从独占访问变为开放访问时，都会产生一个事件并将其保持在该 PE 的事件寄存器中。该寄存器供 Wait for Event 机制使用。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

3.2 可共享内存中的 Load-Exclusive 与 Store-Exclusive¶

来自可共享内存的 Load-Exclusive 指令执行一次从内存的加载，并使该访问的物理地址被标记为请求 PE 的独占访问。该访问还可能使请求 PE 先前标记的任何其他物理地址的独占访问标记被移除。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

全局监视器中 PE(n) 的状态机如下图所示：

FigureB9-2

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

Store-Exclusive 指令能否成功更新内存，取决于所访问的地址是否与发起该 Store-Exclusive 指令的 PE 的已标记可共享内存地址匹配，以及本地监视器与全局监视器是否处于独占状态。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

当全局监视器处于独占访问状态时，CLREX 指令是否导致全局监视器从独占访问状态转换到开放访问状态，是 IMPLEMENTATION DEFINED 的。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

Load-Exclusive 指令只能更新发起该 Load-Exclusive 指令的 PE 的已标记可共享内存地址。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

以下各项是 IMPLEMENTATION DEFINED 的：

对 Non-shareable 内存位置的修改是否会导致全局监视器从独占访问状态转换到开放访问状态。
对 Non-shareable 内存位置的 Load-Exclusive 指令是否会导致全局监视器从开放访问状态转换到独占访问状态。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

参见：

第 B9.4 节《独占访问指令与监视器》（Exclusive access instructions and the monitors）。

4. 独占访问指令与监视器¶

Store-Exclusive 指令定义监视器的状态值返回到哪个寄存器。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

Store-Exclusive 指令执行一次对内存的条件存储，该存储取决于本地监视器的状态：

若本地监视器处于独占访问状态：
若 Store-Exclusive 指令的地址与先前 Load-Exclusive 指令在监视器中标记的地址相同，则执行存储。否则，是否执行存储是 IMPLEMENTATION DEFINED 的。
向一个寄存器返回状态值：
- 若执行了存储，状态值为 0。
- 否则，状态值为 1。
执行该指令的 PE 的本地监视器转换到开放访问状态。
若本地监视器处于开放访问状态：
不执行存储。
向一个寄存器返回状态值 1。
本地监视器保持开放访问状态。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

Store-Exclusive 指令执行一次对可共享内存的存储，该存储取决于本地监视器与全局监视器二者的状态：

若本地监视器与全局监视器都处于独占访问状态：
若 Store-Exclusive 指令的地址与先前 Load-Exclusive 指令在监视器中标记的地址相同，则执行存储。否则，是否执行存储是 IMPLEMENTATION DEFINED 的。
向一个寄存器返回状态值：
- 若执行了存储，状态值为 0。
- 否则，状态值为 1。
执行该指令的 PE 的本地监视器转换到开放访问状态。
若本地监视器或全局监视器之一处于开放访问状态：
不执行存储。
向一个寄存器返回状态值 1。
执行该指令的 PE 的本地监视器转换到开放访问状态。
与该 PE 关联的全局监视器转换到开放访问状态。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

参见：

第 B9.2 节《本地监视器》（The local monitors）。
第 B9.3 节《全局监视器》（The global monitor）。

5. Load-Exclusive 与 Store-Exclusive 指令约束¶

Load-Exclusive 与 Store-Exclusive 指令设计为成对工作，例如 LDREX/STREX 对或 LDREXB/STREXB 对。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

架构不要求把地址或尺寸检查作为 IsExclusiveLocal() 函数的一部分。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

若执行两条 StoreExcl 指令之间没有 LoadExcl 指令，则第二条 StoreExcl 指令返回状态值 1。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

架构不要求每条 LoadExcl 指令都有后续的 StoreExcl 指令。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

若 StoreExcl 指令的事务尺寸与同一执行线程中先前 LoadExcl 指令不同，则行为是 CONSTRAINED UNPREDICTABLE 的，为以下之一：

StoreExcl 通过或失败，且 StoreExcl 返回的状态值是 UNKNOWN 的。
在 LoadExcl/StoreExcl 对所访问的地址处，尺寸取该对所用事务尺寸中较大者的数据块是 UNKNOWN 的。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

硬件只保证在 LoadExcl 与 StoreExcl 具有相同事务尺寸时，LoadExcl/StoreExcl 对才成功。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

只有在以下条件对单个执行线程中的任何 LoadExcl/StoreExcl 循环都成立时，才能通过 LoadExcl/StoreExcl 循环取得前进：

在 Load-Exclusive 与 Store-Exclusive 之间没有显式内存访问、预加载、直接或间接的寄存器写入、高速缓存维护指令、SVC 指令、ISB 屏障或异常返回。
在 Store-Exclusive 返回失败结果之后到重试 Load-Exclusive 之间，满足以下条件：
对 Store-Exclusive 所访问的同一独占保留粒度内的任何位置没有存储。
除数据处理或比较指令引起的 APSR 或 FPSCR 标志字段变化外，没有直接或间接的寄存器写入。
没有直接或间接的高速缓存维护指令、SVC 指令或异常返回。

独占监视器可以在任何时候、在没有与应用相关的原因的情况下被清除，但前提是这种清除不是系统性地反复发生，以致在有限时间内阻止至少一个访问该独占监视器的线程取得前进。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

把 LoadExcl 与 StoreExcl 操作保持在单个执行线程中彼此靠近，可最小化独占监视器状态在 LoadExcl 指令与 StoreExcl 指令之间被清除的机会。因此，为获得最佳性能，Arm 强烈建议在单个执行线程中 LoadExcl 与 StoreExcl 指令之间的间隔不超过 128 字节。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

架构对可标记为独占访问的独占保留粒度设定了 2048 字节的上限。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

出于性能原因，Arm 建议由独占访问所访问的对象按独占保留粒度的尺寸分隔。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

在发生 BusFault 或 MemManage 故障之后，独占监视器的状态是 UNKNOWN 的。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。扩展要求为 - M。

对于 LoadExcl/StoreExcl 对所访问的内存位置，若同一执行线程中 StoreExcl 指令的内存属性与先前 LoadExcl 指令的内存属性不同，则行为是 CONSTRAINED UNPREDICTABLE 的。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

数据或统一高速缓存无效化、清理、清理并无效化指令对处于独占访问状态的本地独占监视器或全局独占监视器的影响是 CONSTRAINED UNPREDICTABLE 的，该指令可能清除监视器，也可能使其保持独占访问状态。对于基于地址的维护指令，这也适用于与执行该高速缓存维护指令的 PE 处于同一可共享域的其他 PE 的监视器，其范围由被维护地址的可共享域确定。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

Arm 强烈建议实现确保 Non-secure 状态下的 PE 使用此类维护指令不会导致 Secure 状态下的 PE 发生拒绝服务。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。

在多个 PE 反复争用的 LoadExcl/StoreExcl 指令序列情形下，实现确保至少一个 PE 取得前进。

适用于 Armv8.0-M 及以后架构版本的实现。