RISC-V笔记——RVWMO基本体

1. 前言

RISC-V使用的内存模型是RVWMO(RISC-V Weak Memory Ordering)，它是Release Consistency的扩展，因此，RVWMO的基本特性类似于RC模型。

2. RC模型

Release consistency(RC)的提出是基于一个观察：将所有同步操作用FENCE围在一起是多余的。随着对同步操作的深入理解，同步操作acquire只需要后面放一个FENCE，同步操作release只需要前面放一个FNECE。因此RC提供了ACQUIRE和RELEASE操作，它们和FENCE类似，但是只在一个方向上对memory进行保序，而不是像FENCE那样在两个方向上都进行保序。更一般地说，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

如下图，注：LDAR代表load具有acquire语义，STLR代表store具有release语义。

3. RVWMO基本体

在RISC-V中，与RC类似，load和store指令可以携带其它语义：load指令可以携带ACQUIRE语义，store指令可以携带RELEASE语义，以及RMW指令可以携带ACQUIRE、RELEASE或两者都具有。有两种ACQUIRE语义：ACQUIRE-RCpc和ACQUIRE-RCsc。同样，也有两种RELEASE语义：RELEASE-RCpc和RELEASE-RCsc。“RCpc语义”代表“Acquire-RCpc”或“Release-RCpc”。“RCsc语义”代表“Acquire-RCsc”或“Release-RCsc”。Load(store)可以携带任何一种ACQUIRE(RELEASE)语义，而RMW只能携带RCsc语义。这些语义有如下保序：

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)

从上述保序公式可以看出：

带有RELEASE-RCpc的older store指令的写数据可以直接被forward给带有ACQUIRE-RCpc的同地址younger load指令。
如果它们两个是不同地址，那么在younger load指令会先于older store指令出现在global memory order上。

上述这两点是RCsc不允许的，RCsc具有更强的保序行为。为什么RCsc和RCpc有这两点区别，可以看它们的全称就知道了。

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

RCpc语义有processor-consistent特性。Processor consistency(PC)表示一个Core的store操作按顺序达到其它Core，但不一定同时达到其它Core。TSO模型是PC的特殊情况，其中每个Core都可以立即看到自己的Store操作，但是当任何其它Core看到Store操作时，所有其它Core都可以看到它，这个属性称为write atomicity。

RCsc语义有sequentially consistent特性。Sequential consistency (SC)模型中，memory order保留了每个core的program order。也就是SC模型为同一个线程的两个指令间的所有四种load和store组合(Load -> Load, Load -> Store, Store -> Store, and Store -> Load)保留了顺序。

因此RCpc和RCsc在行为上还是有些区别，RCsc语义可以让RVWMO模型像SC(Sequential Consistency)模型行为一样，RCpc语义可以让RVWMO像TSO(Total Store Order)内存模型行为一样，这极大方便了其它CPU内存模型的代码移植到RISC-V CPU上运行。比如要迁移MIPS R10000的代码到RISC-V CPU上，可以使用RCsc的load和store指令。要迁移Intel/AMD的代码到RSIC-V CPU上，可以使用RCpc的load和store指令。

如下图，注：LDAR代表load具有acquire-RCsc语义，STLR代表store具有release-RCsc语义。LDAPA代表load具有acquire-RCpc语义，STLAR代表store具有release-RCpc语义。