自己动手写CPU之第九阶段（7）——MIPS32中的LL、SC指令说明

将陆续上传新书《自己动手写CPU》，今天是第46篇。

在MIPS32指令集中有两条特殊的存储加载指令：链接加载指令LL、条件存储指令SC，本次将介绍这两条指令，在后续将实现这两条指令。

9.6 链接加载指令ll、条件存储指令sc说明

      在本章前面的部分，笔者花费很多笔墨介绍了OpenMIPS中除ll、sc之外的加载、存储指令的实现过程，本节至9.9节将专门介绍链接加载指令ll、条件存储指令sc的实现过程。ll、sc指令是MIPS32指令集架构中比较特殊的加载存储指令，用来实现信号量机制。

      在多线程系统中，需要RMW（Read-Modify-Write）操作序列保证对某个资源的独占性，RMW操作序列的含义是，读取内存某个地址的数据，读取的数据经过修改，然后再保存回内存原地址，这个过程不能有任何打扰，因此需要建立一个临界区域（Critical Region），临界区域中完成的操作通常称为原子操作，原子操作不被打扰。操作系统建立临界区域的方式通常是信号量机制，如下。

wait（semaphore）;

原子操作;

 signal（semaphore）;

      semaphore是一个信号量，为1表示信号量使用中，为0表示信号量空闲。进行原子操作前，使用wait函数查询semaphore的值，如果为1，则等待，否则，将其置为1，开始执行原子操作，操作结束后，signal函数将semaphore置为0，这样其它线程就可以执行原子操作了。

      需要注意的是，wait函数的执行也是一个原子操作，是一种“先检测后设置”操作（test-and-set operation），这种操作一般不希望被外部设备中断，也不希望被其它线程打断，很多处理器都有专门的指令用来实现“先检测后设置”操作，比如：680x0 CPU、x86 CPU等。这也是一种信号量机制。

      MIPS32架构采用特殊的方式实现信号量机制，对于原子操作，MIPS32架构并不保证它一定是原子性的，也就是允许检测和设置在没有原子性保证的情况下运行，但只在它确实原子的运行了的时候才让“设置”生效。MIPS32架构采用链接加载指令ll、条件存储指令sc来实现这种信号量机制。

      ll指令同一般的加载指令一样，从内存中加载一个字，但是，有一点不同，ll指令还会将处理器内部的一个链接状态位LLbit置为1，表明发生了一个链接加载操作，并将链接加载的地址保存到一个特殊寄存器LLAddr中（这个寄存器在多处理器中有作用，OpenMIPS是单处理器，所以在OpenMIPS实现过程中并没有实现LLAddr寄存器）。

      ll指令执行完毕后，会进行一定的操作（如：修改加载得到的数据），然后执行sc指令，这可以认为是一个RMW序列。有如下两种情况干扰这个RMW序列，受到干扰后，处理器会设置链接状态位LLbit为0。

•  在ll、sc指令之间产生异常，从而进入异常处理例程，或者发生线程切换，导致RMW序列受到干扰。
•  多处理器的系统中，另一个CPU改写了RMW序列要操作的内存空间。

      对于OpenMIPS而言，只有第1种情况。

      执行sc指令时，会对从ll指令开始的RMW序列进行检查，判断是否受到干扰，实际就是判断LLbit是否为1，如果没有受到任何干扰，LLbit保持为1，那么操作是原子的，sc指令会对ll指令加载数据的地址进行写回操作，并设置一个通用寄存器的值为1，表示成功，反之不进行写回操作，并设置一个通用寄存器的值为0，表示失败。

      ll、sc指令的格式如图9-28所示。从图中可知，可以依据指令码对这2条指令进行区分。

•  当指令中的指令码为6'b110000时，是ll指令，链接加载指令

      指令用法为：ll rt, offset(base)

      指令作用为：从内存中指定的加载地址处，读取一个字节，然后符号扩展至32位，保存到地址为rt的通用寄存器中。其中加载地址的计算方法如下。

      加载地址 = signed_extended(offset) + GPR[base]

      此外，还要设置链接状态位LLbit为1。

•  当指令中的指令码为6'b111000时，是sc指令，条件存储指令

      指令用法为：sc rt, offset(base)

      指令作用为：如果RMW序列没有受到干扰，也就是LLbit为1，那么将地址为rt的通用寄存器的值保存到内存中指定的存储地址处，同时设置地址为rt的通用寄存器的值为1，设置LLbit为0。如果RMW序列受到了干扰，也就是LLbit为0，那么不修改内存，同时设置地址为rt的通用寄存器的值为0。其中存储地址的计算方法如下。

      存储地址 = signed_extended(offset) + GPR[base]

      下面通过一个例子体会ll、sc指令的作用，这个例子实现了上面介绍的wait函数，不过此处是使用ll、sc指令实现的。

wait:ori $1, $0, sem         // sem是信号量的地址，将这个地址赋给寄存器$1TryAgain:ll  $2, 0($1)           // 获取信号量的值，保存到寄存器$2bne $2, $0, WaitForSem  // 如果信号量被占用（其值为1），那么转移到地址WaitForSem                        // 继续等待；如果信号量空闲（其值为0），那么执行下面的指令nopori $2, $0, 1sc  $2, 0($1)           // 如果没有被干扰，那么设置信号量被占用（将1保存到信号                        // 量中），同时，设置寄存器$2为1，反之，不修改信号量，                        // 设置寄存器$2为0beq $2, $0, TryAgain    // 如果寄存器$2为0，表示ll、sc指令没有成功，未获取到                        // 信号量，回到TryAgain继续尝试nopjr  $31                  // 反之, 表示ll、sc指令成功，获取到信号量，可以进入                         // “临界区域”了。调用wait函数时，会将返回地址放在                         // 寄存器$31，所以此处jr $31指令就是回到调用过程，                         // 进入临界区域

下一次将修改OpenMIPS以实现LL、SC指令