第一章：原子操作总览

1.1 四种原子操作类别

1.2 原子操作通用特性

原子操作 = Read → Modify → Write (不可分割) 内存地址: ┌───────────┐ │ 原始值 V │ └─────┬─────┘ │ Read (读取旧值) ↓ ┌─────────────────┐ │ Compute (计算) │ ← 不可被中断 │ V_new = V op X │ └────────┬────────┘ │ Write (写回新值) ↓ ┌───────────┐ │ 新值 V_new│ └───────────┘

1.3 流水线与约束

第二章：ATOM — 全局内存原子操作

2.1 指令语法

ATOM.op.type Xm, [Xn], Xt

2.2 操作类型与支持矩阵

第三章：ATOM 各操作详细语义

3.1 .cas — Compare-And-Swap

功能：比较内存值与预期值，相等则写入新值，始终返回旧值。

// 伪代码size=(.type==u32||.type==s32)?32:64;addr=Xn;tmp=Mem[addr+size-1:addr];// 读取当前值cmpdata=Xm[size-1:0];// 预期值swpdata=Xt[size-1:0];// 欲写入值Mem[addr+size-1:addr]=(cmpdata==tmp)?swpdata:tmp;// 相等写新值, 否则不变Xm=zeroext(tmp);// 返回旧值到 Xm

图解：

内存 [addr]: 42 Xm (期望值): 42 Xt (写入值): 99 执行: 42 == 42 ? → YES → Mem[addr] = 99 Xm = 42 (旧值) ───────────────────────────────────── 内存 [addr]: 42 Xm (期望值): 10 Xt (写入值): 99 执行: 42 == 10 ? → NO → Mem[addr] = 42 (不变) Xm = 42 (旧值, 可以判断 CAS 是否成功)

支持类型: u32, u64
典型功能: 实现多线程可使用的锁

3.2 .exch — 原子交换

功能：将 Xm 写入内存，返回内存中的旧值到 Xt。

tmp=Mem[addr+size-1:addr];Xt=zeroext(tmp);// 返回旧值到 XtMem[addr+size-1:addr]=Xm[size-1:0];// 写入 Xm

图解：

内存 [addr]: 100 Xm: 200 执行后: Xt = 100 (旧值) Mem[addr] = 200 (新值)

支持类型: u32, u64

3.3 .add — 原子加

图解：

内存 [addr]: 100 Xm: 50 执行后: Xt = 100 (旧值) Mem[addr] = 150 (100 + 50)

支持类型: u32, s32, u64, s64

典型用途: 计数器、累加器、Barrier

3.4 .min — 原子最小值

功能：取内存值与 Xm 的最小值写回，返回旧值到 Xt。

图解：

内存 [addr]: 100 (s32) Xm: 80 执行后: Xt = 100 (旧值) Mem[addr] = 80 (min(100, 80)) ───────────────────────────────────── 内存 [addr]: 50 (s32) Xm: 80 执行后: Xt = 50 (旧值) Mem[addr] = 50 (min(50, 80)) 值不变

支持类型: u32, s32, u64, s64

典型用途: 全局最小值追踪、Loss 监控

3.5 .max — 原子最大值

功能：取内存值与 Xm 的最大值写回，返回旧值到 Xt。

图解：

内存 [addr]: 100 (s32) Xm: 150 执行后: Xt = 100 (旧值) Mem[addr] = 150 (max(100, 150))

支持类型: u32, s32, u64, s64

典型用途: 全局最大值追踪、进度标记

第四章：RED — 全局内存归约操作

4.1 指令语法

RED.op.type [Xn], Xm

4.2 操作类型与支持矩阵

4.3 语义

*Xn=*Xn op Xm;// 直接在目标地址上归约, 不返回旧值

4.4 ATOM 与 RED 的区别

第五章：Cache 一致性与原子操作

因为 atomic 会 bypass 掉 DCache ; 不会 bypass L2Cache （ 受Ctrl 寄存器的 hint 位控制； ）
一定要注意， DCCI 与 Atomic 之间的影响

• Scalar 写 gm 数据会在DCacheLine 缓存 （通过 st_dev 指令不会在 cacheline 缓存 ）
• Atomic 写 gm 数据 Bypss DCacheLine 缓存； 若要一致，需要调用dcci

5.1 为什么需要 Cache 维护

问题: 核 A Cache: │ 100 │ ← 缓存了旧值 └──┬──┘ │ ATOM.add → 直接写 Global Memory │ (旁路 Cache) Global Memory: │ 150 │ ← 新值 └──────┘ 核 B Cache: │ 100 │ ← 缓存了旧值 (未更新!) └──────┘ 解决方案: DCCI + DSB

5.2 正确的 Cache 维护模式

// ============================================================ // 原子操作前: 确保看到最新数据 // ============================================================ pre_atomic: DCCI X0, 1, OUT // 清理并无效化所有 OUT 相关 cache DSB DDR // 等待清理完成 // 现在读取将直接从 Global Memory 获取最新值 ATOM.add.u32 Xm, [Xn], Xt // ============================================================ // 原子操作后: 确保其他核可见 // ============================================================ post_atomic: DSB DDR // 等待原子操作完成 // 其他核通过 SET_CROSS_CORE 通知或 DSB 确认

5.3 特性示意