RISC-V筆記——RVWMO基本體

01、前言

RISC-V使用的內(nèi)存模型是RVWMO(RISC-V Weak Memory Ordering)，它是Release Consistency的擴(kuò)展，因此，RVWMO的基本體類似于RC模型。

02、RC模型

Release consistency(RC)的提出是基于一個(gè)觀察：將所有同步操作用FENCE圍在一起是多余的。隨著對(duì)同步操作的深入理解，同步操作acquire只需要后面放一個(gè)FENCE，同步操作release只需要前面放一個(gè)FNECE。因此RC提供了ACQUIRE和RELEASE操作，它們和FENCE類似，但是只在一個(gè)方向上對(duì)memory進(jìn)行保序，而不是像FENCE那樣在兩個(gè)方向上都進(jìn)行保序。更一般地說，RC只需要：

ACQUIRE -> Load, Store ??(Load, Store -> ACQUIRE方向不保序)

Load, Store -> RELEASE ???(RELEASE -> Load, Store 方向不保序)

ACQUIRE -> ACQUIRE

ACQUIRE -> RELEASE

RELEASE -> ACQUIRE

RELEASE -> RELEASE

如下圖，注：LDAR代表load具有acquire語義，STLR代表store具有release語義。

03、RVWMO基本體

在RISC-V中，與RC類似，load和store指令可以攜帶其它語義：load指令可以攜帶ACQUIRE語義，store指令可以攜帶RELEASE語義，以及RMW指令可以攜帶ACQUIRE、RELEASE或兩者都具有。有兩種ACQUIRE語義：ACQUIRE-RCpc和ACQUIRE-RCsc。同樣，也有兩種RELEASE語義：RELEASE-RCpc和RELEASE-RCsc?！癛Cpc語義”代表“Acquire-RCpc”或“Release-RCpc”?！癛Csc語義”代表“Acquire-RCsc”或“Release-RCsc”。Load(store)可以攜帶任何一種ACQUIRE(RELEASE)語義，而RMW只能攜帶RCsc語義。這些語義有如下保序：

ACQUIRE -> Load,Store ??(ACQUIRE代表ACQUIRE-RCsc和ACQUIRE-RCpc)

Load,Store -> RELEASE (RELEASE 代表RELEASE-RCsc和RELEASE-RCpc)

RELEASE-RCsc -> ACQUIRE-RCsc? (注意RELEASE-RCpc -> ACQUIRE-RCpc不成立)

從上述保序公式可以看出：

帶有RELEASE-RCpc的older store指令的寫數(shù)據(jù)可以直接被forward給帶有ACQUIRE-RCpc的同地址younger load指令。

如果它們兩個(gè)是不同地址，那么在younger load指令會(huì)先于older store指令出現(xiàn)在global memory order上。

上述這兩點(diǎn)是RCsc不允許的，RCsc具有更強(qiáng)的保序行為。為什么RCsc和RCpc有這兩點(diǎn)區(qū)別，看它們的全稱就知道了。

“RCpc”代表release consistency with processor-consistent synchronization operations。

“RCsc”代表release consistency with sequentially consistent synchronization operations。

RCpc語義有processor-consistent特性。Processor consistency(PC)表示一個(gè)Core的store操作按順序達(dá)到其它Core，但不一定同時(shí)達(dá)到其它Core。TSO模型是PC的特殊情況，其中每個(gè)Core都可以立即看到自己的Store操作，但是當(dāng)任何其它Core看到Store操作時(shí)，所有其它Core都可以看到它，這個(gè)屬性稱為write atomicity。

RCsc語義有sequentially consistent特性。Sequential consistency (SC)模型中，memory order保留了每個(gè)core的program order。也就是SC模型為同一個(gè)線程的兩個(gè)指令間的所有四種load和store組合(Load -> Load, Load -> Store, Store -> Store, and Store -> Load)保留了順序。

因此RCpc和RCsc在行為上還是有些區(qū)別，RCsc語義可以讓RVWMO模型像SC(Sequential Consistency)模型行為一樣，RCpc語義可以讓RVWMO像TSO(Total Store Order)內(nèi)存模型行為一樣，這極大方便了其它CPU內(nèi)存模型的代碼移植到RISC-V CPU上運(yùn)行。比如要遷移MIPS R10000的代碼到RISC-V CPU上，可以使用RCsc的load和store指令。要遷移Intel/AMD的代碼到RSIC-V CPU上，可以使用RCpc的load和store指令。

如下圖，注：LDAR代表load具有acquire-RCsc語義，STLR代表store具有release-RCsc語義。LDAPA代表load具有acquire-RCpc語義。