第一章：原子操作总览

1.1 四种原子操作类别

指令	总线	地址空间	返回旧值	用途
ATOM	系统总线	Global Memory (OUT)	Xt	跨核共享内存原子操作
RED	系统总线	Global Memory (OUT)	无	跨核共享内存归约 (不回读)

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

属性	ATOM/RED	ATOM_HSCB/RED_HSCB
流水线	Pipe S	Pipe S
DCache	旁路	N/A
Cache 一致性	需 DCCI + DSB	不涉及 DCCI
地址隔离	cacheable/non-cacheable 需 4KB	—

第二章：ATOM — 全局内存原子操作

2.1 指令语法

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

参数	说明
.op	操作类型: cas / exch / add / min / max / casp
.type	数据类型: u32 / s32 / u64 / s64
Xm	操作数寄存器 (.cas 时同时为比较值和返回目标)
[Xn]	目标地址寄存器 (地址 = Xn × 8)
Xt	.cas: 条件写入值; 其他: 返回旧值

2.2 操作类型与支持矩阵

	u32	s32	u64	s64	说明
.cas	✅	—	✅	—	Compare-And-Swap
.exch	✅	—	✅	—	原子交换
.add	✅	✅	✅	✅	原子加
.min	✅	✅	✅	✅	原子最小值
.max	✅	✅	✅	✅	原子最大值

---

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 Xt
Mem[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

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第四章：RED — 全局内存归约操作

4.1 指令语法

RED.op.type  [Xn], Xm

参数	说明
.op	操作类型: add / min / max
.type	数据类型: u32 / s32 / f16 / bf16 / f32
[Xn]	目标地址寄存器 (*Xn 表示内存地址)
Xm	操作数寄存器

4.2 操作类型与支持矩阵

	u32	s32	f16	bf16	f32	说明
.add	✅	✅	✅	✅	✅	归约加
.min	✅	✅	✅	✅	✅	归约最小值
.max	✅	✅	✅	✅	✅	归约最大值

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

属性	ATOM	RED
返回旧值	✅ (Xt)	❌
支持浮点	❌	✅ (f16/bf16/f32)
操作种类	cas/exch/add/min/max	add/min/max
典型用途	锁、计数器、需回读场景	纯归约、累加、无需回读

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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

同步需求	推荐指令	组合方式
互斥锁	ATOM.cas	自旋 CAS
公平锁	ATOM.add + LD	Ticket Lock
计数器	ATOM.add	直接累加
Barrier	ATOM.add + LD + SET_CROSS_CORE	计数+同步
AllReduce 整数	RED.add / ATOM.add	多核归约（有确定性风险）
AllReduce 浮点	RED.add (f16/f32)	多核浮点归约（有确定性风险）
全局最大值	RED.max / ATOM.max	追踪极值
全局最小值	RED.min / ATOM.min	追踪极值
生产者-消费者	ATOM.add + LD + DSB	计数+读写+屏障