linux hwspinlock 学习

一、为什么需要 hwspinlock

在传统的 Linux SMP 系统中，自旋锁（spinlock）依赖于共享内存+ 原子指令实现，适用于：

• 同一 OS

• 同一 cache coherent 域

• 同一 CPU 集群

然而，在以下场景中，普通 spinlock 已经不再适用：

• 多 OS（Linux + RTOS / FW / SCP）

• 多 die / 多 cluster（无 cache coherence）

• Host CPU 与外设子系统（DSP / MCU）

• SoC 内部通过APB/AXI互联的异构处理单元

这些系统之间无法共享 Linux 的原子语义，但又需要访问同一块共享资源或共享内存。 这正是hwspinlock（硬件自旋锁）存在的意义。

二、hwspinlock 的设计目标

Linux hwspinlock 的核心目标可以总结为三点：

• 提供 OS 无关的互斥原语

• 基于硬件寄存器实现排他访问

• 统一 Linux 侧的使用接口

本质上，hwspinlock 是：

Linux 对“硬件互斥单元（HardwareMutex/ Spinlock）”的一层抽象

三、Linux hwspinlock 的整体架构

从软件栈角度看，hwspinlock 位于设备驱动层与通用内核接口之间：

注册就是上register和unregister

四、hwspinlock 的核心数据结构

4.1 struct hwspinlock

语义说明：

• lock→保护 hwspinlock 内部状态的 Linux 自旋锁→ 注意：不是跨 OS 的锁

• ops→ 硬件相关的操作集（trylock / unlock）

• priv→ 指向 SoC 私有数据（寄存器基址、ID 等）

4.2 struct hwspinlock_ops

这是 hwspinlock 的关键抽象层：

• Linux不关心硬件如何实现

• 只要求：

  • 能不能“抢到锁”

  • 如何“释放锁”

五、Linux 侧的使用接口

5.1 获取 hwspinlock

struct hwspinlock *hwlock;

hwlock = hwspin_lock_request_specific(id);

Linux 通常使用编号（ID）来标识一把硬件锁

5.2 加锁与解锁

hwspin_lock_timeout(hwlock, timeout);...hwspin_unlock(hwlock);

或非阻塞方式：

if (hwspin_trylock(hwlock)) {...hwspin_unlock(hwlock);}

重要特性：

• hwspinlock不会睡眠

• 典型使用场景：

  • 中断上下文

  • 共享内存访问

  • mailbox / rpmsg / IPC 同步

六、hwspinlock 与 Linux spinlock 的本质区别

一句话总结：

hwspinlock 解决的是“系统边界外”的互斥问题

七、APB Spinlock 的硬件实现原理

7.1 APB Spinlock 的基本思想

APB spinlock 通常由一组内存映射寄存器组成，例如：

SPINLOCK_BASE + 0x0 LOCK0SPINLOCK_BASE + 0x4 LOCK1SPINLOCK_BASE + 0x8 LOCK2...

每个寄存器代表一把独立的硬件锁。

7.2 加锁（trylock）& 解锁（unlock）机制

writel(0, lock_reg);

释放锁后，其他 master 才能重新获取。

当处理器使用hwspinlock的时候，需要通过SPINLOCK_STATUS_REG寄存器读取hwspinlock状态。

• 读操作：读SPINLOCK_LOCK_REG返回0时，说明进入locked状态；再次读SPINLOCK_STATUS_REG该状态位，返回1，说明已经成为locked状态

• 写操作：当spinlock处于locked状态时，写SPINLOCK_LOCK_REG为0可转化为unlocked状态，其他状态写操作均无效

• reset操作：reset操作后，默认为unlocked

hwspinlock 状态

• 当spinlock处于unlocked状态时，写0/1均无效

• 当spinlock处于unlocked状态，读操作，返回0说明进入locked状态

• 当spinlock处于locked状态时，写0可转换为unlocked状态

• 当spinlock处于locked状态，写1无效

• 当spinlock处于locked状态时，再次读该状态位，返回1，说明已经是locked状态

• reset操作后默认为unlocked状态

当Free lock动作产生(即lock状态由locked变为unlocked时)，即可产生中断

切换状态

• SPINLOCKN_LOCK_REG(0~31)读0，进入locked状态

• 执行应用代码，当前SPINLOCK_STATUS_REG对应位状态为1

• SPINLOCKN_LOCK_REG(0~31)写0，进入unlocked状态，释放相应的spinlock

7.4 硬件层保证的是什么？

APB spinlock 硬件通常保证：

• 同一时刻：

  • 只有一个 bus master 能持有锁

• 锁状态：

  • 独立于 CPU cache

  • 独立于 OS

但不保证：

• 死锁检测

• owner 身份校验（有些 SoC 支持）

八、Linux hwspinlock 驱动如何对接 APB Spinlock

典型 APB spinlock 驱动做三件事：

• 解析设备树

  • 锁数量

  • 寄存器基址

• 初始化 hwspinlock 实例数组

• hwspinlock_init(&bank->locks[i]);

• 实现 ops

• .trylock = apb_hwspin_trylock,.unlock = apb_hwspin_unlock,

Linux hwspinlock core 完全不知道：

• APB / AXI

• 寄存器布局

• SoC 细节

这就是抽象层的价值。

九、hwspinlock 的典型使用场景

• Linux ↔ RTOS 共享 ringbuf

• Linux ↔ SCP 共享 mailbox

• 多 die 共享 SRAM

• remoteproc / rpmsg 的全局同步

• 非一致性内存上的 allocator（genpool / bitmap）

hwspinlock 适合“粒度粗、时间短、访问频率低”的互斥

十、总结

Linux hwspinlock 是一种面向异构系统的同步机制：

• 上层：统一 Linux API

• 中层：hwspinlock core 框架

• 底层：SoC 私有硬件实现（如 APB spinlock）

它并不是为了替代 spinlock，而是解决：

Linux 原子语义无法覆盖的系统边界问题