【ARM Cache 入门及渐进五--内存屏障ISB/DSB/DMB】

Cache 之内存屏障指令

1.1 内存屏障基本规则

• 所有内存屏障指令之前的数据访问必须在该指令之前完成。
• 所有内存屏障指令之后的数据必须等待该指令之后执行。
• 如果有多条内存屏障指令，它们是按照顺序执行的。

1.2 DMB(数据存储屏障)

DMB指令保证DMB指令前后的内存访问指令的执行次序，内存访问包括load、store、data cache维护指令, 像add指令DMB是管不到的。

1.2.1 DMB 使用场景

DMB不能保证它前面的指令在它后面的指令之前完成，只能保证后面的指令能观察到前面的指令执行了（即在LSU的执行顺序是能得到保证的），可能你会问这样的屏障有什么实际的作用呢？

举个例子，如果dmb前后的两次访存指令访问的都是同一个终点（比如都是ddr，或者都是spi的fifo），它在能保证两次访问放射顺序的同时，其实就能保证实际的完成顺序了。因为我们访问的是同一个终点，访问路径是一致的，在这种背景下谁先执行谁就先完成。在这种场景下使用DMB相对于DSB就能提升性能。

1.3 DSB(数据同步屏障)

• DSB指令比DMB指令严格很多；
• 在DSB之后的任何指令，必须等到如下完成了才能开始执行：
  • 在DSB指令前面的所有数据访问必须执行完成。
  • 在DSB之前的cache、branch predictor、TLB等指令必须执行完

1.3.1 DSB 使用背景

为了实现线程间同步，一般都要在执行关键代码段之前加互斥（Mutex）锁，且在执行完关键代码段之后解锁。为了实现所谓的互斥锁的概念，需要引入称作Load-Link（LL）和Store-Conditional（SC）的操作，通常简称为LL/SC。LL操作返回一个内存地址上当前存储的值，后面的SC操作，会向这个内存地址写入一个新值，但是只有在这个内存地址上存储的值，从上个LL操作开始直到现在都没有发生改变的情况下，写入操作才能成功，否则都会失败。这个操作非常重要，是很多平台实现基本原子操作的基础。 对于ARM平台来说，也在硬件层面上提供了对LL/SC的支持，LL操作用的是LDREX指令，SC操作用的是STREX指令。

1.3.2 LDREX/STREX 机制

LDREX 和STREX指令，是将单纯的更新内存的原子操作分成了两个独立的步骤。
1）LDREX用来读取内存中的值，并标记对该段内存的独占访问：

LDREX Rx, [Ry]

上面的指令意味着，读取寄存器 Ry 指向的4字节内存值，将其保存到 Rx 寄存器中，同时标记对 Ry 指向内存区域的独占访问。
如果执行 LDREX 指令的时候发现已经被标记为独占访问了，并不会对指令的执行产生影响。

2）而 STREX 在更新内存数值时，会检查该段内存是否已经被标记为独占访问，并以此来决定是否更新内存中的值：

STREX Rx, Ry, [Rz]

如果执行这条指令的时候发现已经被标记为独占访问了，则将寄存器 Ry 中的值更新到寄存器Rz指向的内存，并将寄存器Rx 设置成 0。指令执行成功后，会将独占访问标记位清除。

执行处理器如果在执行这条指令的时候发现没有设置独占标记(可能别的处理器已经成功更新了该段独占访问内存值)，则不会再更新这段内存，且将寄存器Rx的值设置成1。在mutex中可以理解为抢锁失败。

1.3.3 DSB互斥锁使用场景

			 ...
             LOCKED   EQU 1
             UNLOCKED EQU 0
       lock_mutex
             ; 互斥量是否锁定?
             LDREX r1, [r0]         ; 检查是否锁定
             CMP r1, #LOCKED        ; 和 "LOCKED" 比较
             WFEEQ                  ; 如果上面一条比较指令的结果是相等，则表示互斥量已经锁定，此时进入休眠
             BEQ lock_mutex         ; 被唤醒，重新检查互斥量是否锁定                         

             ; 尝试锁定互斥量
             MOV   r1, #LOCKED
             STREX r2, r1, [r0]     ; 尝试锁定
             CMP r2, #0x0           ; 检查STREX指令是否成功完成，为0则拿锁成功
             BNE lock_mutex         ; STREX执行结果为1，表示拿锁失败(可能被别的线程抢先一步)，重试
             DMB                    ; 进入被保护的资源前需要隔离，保证互斥量已经被更新
             BX lr
       unlock_mutex
             DMB                    ; 保证资源的访问已经结束
             MOV r1, #UNLOCKED      ; 向锁定域写 "UNLOCKED"
             STR r1, [r0]
             DSB                    ; 保证在CPU唤醒前完成互斥量状态更新
             SEV                    ; 向其他CPU发送事件，唤醒任何等待事件的CPU
             BX lr

1.4 ISB(指令同步隔离)

确保所有在ISB指令之后的指令都从指令高速缓存或内存中重新预取。它刷新流水线（flush pipeline）和预取缓冲区后才会从指令高速缓存或者内存中预取ISB指令之后的指令。
ISB指令保证：

• isb后面的指令都从cache或者内存中重新获取。为什么需要重新获取呢？
• isb指令之前的更改上下文的操作都已经完成, 包括Cache，TLB 和 Branch Predictor等操作。改变系统的寄存器等。

1.4.1 DMB/DSB/ISB 关系

• DMB 与 DSB 的区别在于DMB可以继续执行之后的指令，只要这条指令不是内存访问指令；
• DSB不管它后面的什么指令，都会强迫CPU等待它之前的指令执行完毕；
• ISB不仅做了DSB所做的事情，还将流水线清空。

1.4.2 ISB 使用场景

ISB会冲刷流水线，然后从指令高速缓存或者内存中重新预取指令。因为编程中较少使用该指令，简单举一例如下：

/** Enable the MPU.
* \param MPU_Control Default access permissions for unconfigured regions.
*/
__STATIC_INLINE void ARM_MPU_Enable(uint32_t MPU_Control)
{
  MPU->CTRL = MPU_Control | MPU_CTRL_ENABLE_Msk;
#ifdef SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk
  SCB->SHCSR |= SCB_SHCSR_MEMFAULTENA_Msk;
#endif
  __DSB();
  __ISB();
}

DSB是保证此前的指令都已执行完，且其他观察者都已经收到广播且回了ack;
紧接着的ISB再让当前CPU重新从高速缓存/内存中预取指令。

参考：
https://blog.csdn.net/qq_42174306/article/details/124716782
https://blog.csdn.net/leekay123/article/details/110678403
https://www.bbsmax.com/A/GBJrVxoRJ0/