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原子操作需要保证不会被打断。要保证操作的完整性和原子性，通常需要“原子地”（不间断地）完成“读-修改-回写”机制，中间不能被打断。下述操作中，如果其他CPU同时对该原子变量进行写操作，则会造成数据破坏。

（1） 读取原子变量的值：从内存中读取原子变量的值到寄存器

（2） 修改原子变量的值：在寄存器中修改原子变量的值

（3） 把新值写回内存中：把寄存器中的新值写回内存中

RISC-V通过‌A扩展‌（Atomic Extension）提供原子操作支持，包含两类关键机制：

‌指令类型‌：

• ‌基础操作‌：amoswap.w（交换）、amoadd.w（加法）、amoand.w（与运算）等，支持读-计算-写的原子性操作。

• ‌扩展模式：

• .aq（Acquire）：屏障后续存储器访问，确保操作之前的指令不被重排序。

• .rl（Release）：屏障之前的存储器访问，确保操作之后的指令不被重排序。

• .aqrl（松散屏障）：仅同步单一方向的存储器访问，提升性能。

‌示例‌：

 amoadd.w.aq rd, rs2, (rs1)  // 原子加法并屏障后续访问

‌性能优化‌：

• 硬件通过总线锁定确保原子性，避免多核竞争。

• 实验表明，模式可配置的AMO（如混合冗余模式）可提升13.34%的故障检测率，仅增加4.4%资源开销。

‌工作原理‌：

1. ‌LR（保留加载）指令‌：加载数据并标记内存地址为“保留”状态。

2. ‌SC（条件存储）指令‌：若地址仍保留，则写入数据并返回成功标志；否则失败。

3. 典型应用：实现无锁数据结构（如自旋锁）。

‌对齐要求‌：

• lr.w需4字节对齐，sc.d需8字节对齐，否则触发异常。

‌示例‌：

 assemblyCopy Codelr.w rd, (rs1)  // 加载并标记保留
 sc.w rd, (rs1)  // 若保留则写入，返回成功标志

• ‌毫米波雷达信号处理‌：原子操作保障数据一致性，避免多核竞争导致的信号失真。

• ‌农田智能灌溉控制‌：通过原子指令实现传感器数据的安全更新，确保灌溉策略的准确性。

• ‌自旋锁实现‌：利用LR/SC机制实现无锁同步，减少线程阻塞开销。

• ‌并发数据结构‌：如无锁队列、哈希表，提升多线程环境下的性能。

• ‌实时操作系统（RTOS）‌：原子操作用于任务调度和中断处理，确保实时性。

• ‌物联网设备‌：通过原子指令实现传感器数据的快速更新，降低功耗。