本帖最后由 LINUX课程 于 2024-12-20 13:30 编辑
1 LoongArch简介
LoongArch(中文名龙架构)是龙芯中科于2021年推出的一种新的RISC ISA（RISC（Reduced Instruction Set Computer）ISA，即精简指令集计算机指令集架构，RISC架构的核心思想是通过简化指令集来提高计算机的性能和效率。它使用较少且简单的指令集，使得每条指令的执行时间更加接近，从而提高了处理器的执行效率。）。LoongArch指令集包括一个32位版（LA32）、一个64位版（LA64）。 LoongArch定义了四个特权（PLV0~PLV3），其中PLV0是最高特权级，用于内核；而PLV3 是最低特权级，用于应用程序。龙架构采用基础部分加扩展部分的模块化组织形式。一个兼容龙架构的 CPU，除实现必需的基础部分（Loongson Base， LBase）外，可根据实际需求选择实现各扩展部分。目前龙架构已定义的扩展部分包括：虚拟化扩展（LoongsonVirtualization， LVZ）、二进制翻译扩展（Loongson Binary Translation， LBT）、128 位向量扩展（Loongson SIMD Extension， LSX）和 256 位高级向量扩展（Loongson Advanced SIMDExtension， LASX）。本篇介绍了LoongArch的寄存器、基础指令集、虚拟内存以及其他一些主题。
2 寄存器
LoongArch的寄存器包括通用寄存器（GPRs）、浮点寄存器（FPRs）、向量寄存器（VRs） 和用于特权模式（PLV0）的控制状态寄存器（CSRs）。
2.1 通用寄存器
LoongArch包括32个通用寄存器（ $r0 ~ $r31 ），LA32中每个寄存器为32位宽， LA64中每个寄存器为64位宽。 $r0 的内容总是固定为0，而其他寄存器在体系结构层面 没有特殊功能。（ $r1 算是一个例外，在BL指令中固定用作链接返回寄存器。）内核使用了一套LoongArch寄存器约定，定义在LoongArch ELF psABI规范中，详细描述参见 参考文献 :
Note
注意： $r21 寄存器在ELF psABI中保留未使用，但是在Linux内核用于保 存每CPU变量基地址。该寄存器没有ABI命名，不过在内核中称为 $u0 。在 一些遗留代码中有时可能见到 $v0 和 $v1 ，它们是$a0 和 $a1 的别名，属于已经废弃的用法。
2.2 浮点寄存器
当系统中存在FPU时，LoongArch有32个浮点寄存器（ $f0 ~ $f31 ）。在LA64 的CPU核上，每个寄存器均为64位宽。浮点寄存器的使用约定与LoongArch ELF psABI规范的描述相同：
Note
注意：在一些遗留代码中有时可能见到 $fv0 和 $fv1 ，它们是 $fa0 和 $fa1 的别名，属于已经废弃的用法。
2.3 向量寄存器
LoongArch现有两种向量扩展：
- 128位向量扩展LSX（全称Loongson SIMD eXtention），
- 256位向量扩展LASX（全称Loongson Advanced SIMD eXtention）。
LSX使用 $v0 ~ $v31 向量寄存器，而LASX则使用 $x0 ~ $x31 。
浮点寄存器和向量寄存器是复用的，比如：在一个实现了LSX和LASX的核上， $x0 的 低128位与 $v0共用， $v0 的低64位与 $f0 共用，其他寄存器依此类推。
2.4 控制状态寄存器
控制状态寄存器只能在特权模式（PLV0）下访问:
ERA，TLBRERA，MERRERA和DERA有时也分别称为EPC，TLBREPC，MERREPC和DEPC。
3 基础指令集
3.1 指令格式
LoongArch的指令字长为32位，一共有9种基本指令格式（以及一些变体）:
Opcode是指令操作码，Rj和Rk是源操作数（寄存器），Rd是目标操作数（寄存器），Ra是 4R-type格式特有的附加操作数（寄存器）。I8/I12/I14/I16/I21/I26分别是8位/12位/14位/16位/ 21位/26位的立即数。其中较长的21位和26位立即数在指令字中被分割为高位部分与低位 部分，所以你们在这里的格式描述中能够看到I21L/I21H和I26L/I26H这样带后缀的表述。
3.2 指令列表
为了简便起见，我们在此只罗列一下指令名称（助记符），需要详细信息请阅读 参考文献 中的文档。
- ADD.W SUB.W ADDI.W ADD.D SUB.D ADDI.D
- SLT SLTU SLTI SLTUI
- AND OR NOR XOR ANDN ORN ANDI ORI XORI
- MUL.W MULH.W MULH.WU DIV.W DIV.WU MOD.W MOD.WU
- MUL.D MULH.D MULH.DU DIV.D DIV.DU MOD.D MOD.DU
- PCADDI PCADDU12I PCADDU18I
- LU12I.W LU32I.D LU52I.D ADDU16I.D
- SLL.W SRL.W SRA.W ROTR.W SLLI.W SRLI.W SRAI.W ROTRI.W
- SLL.D SRL.D SRA.D ROTR.D SLLI.D SRLI.D SRAI.D ROTRI.D
- EXT.W.B EXT.W.H CLO.W CLO.D SLZ.W CLZ.D CTO.W CTO.D CTZ.W CTZ.D
- BYTEPICK.W BYTEPICK.D BSTRINS.W BSTRINS.D BSTRPICK.W BSTRPICK.D
- REVB.2H REVB.4H REVB.2W REVB.D REVH.2W REVH.D BITREV.4B BITREV.8B BITREV.W
- BITREV.D
- MASKEQZ MASKNEZ
- BEQ BNE BLT BGE BLTU BGEU BEQZ BNEZ B BL JIRL
- LL.W SC.W LL.D SC.D
- AMSWAP.W AMSWAP.D AMADD.W AMADD.D AMAND.W AMAND.D AMOR.W AMOR.D AMXOR.W
- AMXOR.D
- AMMAX.W AMMAX.D AMMIN.W AMMIN.D
- SYSCALL BREAK CPUCFG NOP IDLE ERTN(ERET) DBCL(DBGCALL) RDTIMEL.W RDTIMEH.W
- RDTIME.D
- ASRTLE.D ASRTGT.D
- CSRRD CSRWR CSRXCHG
- IOCSRRD.B IOCSRRD.H IOCSRRD.W IOCSRRD.D IOCSRWR.B IOCSRWR.H IOCSRWR.W
- IOCSRWR.D
- CACOP TLBP(TLBSRCH) TLBRD TLBWR TLBFILL TLBCLR TLBFLUSH INVTLB LDDIR LDPTE
LoongArch可以使用直接映射虚拟内存和分页映射虚拟内存。
直接映射虚拟内存通过CSR.DMWn（n=0~3）来进行配置，虚拟地址（VA）和物理地址（PA） 之间有简单的映射关系:
分页映射的虚拟地址（VA）和物理地址（PA）有任意的映射关系，这种关系记录在TLB和页 表中。LoongArch的TLB包括一个全相联的MTLB（Multiple Page Size TLB，多样页大小TLB） 和一个组相联的STLB（Single Page Size TLB，单一页大小TLB）。
缺省状态下，LA32的整个虚拟地址空间配置如下：
用户态（PLV3）只能访问UVRANGE，对于直接映射的KPRANGE0和KPRANGE1，将虚拟地址的第30~31位清零就等于物理地址。例如：物理地址0x00001000对应的非缓存直接映射虚拟地址是0x80001000，而其可缓存直接映射虚拟地址是0xA0001000。
缺省状态下，LA64的整个虚拟地址空间配置如下：
用户态（PLV3）只能访问XUVRANGE，对于直接映射的XSPRANGE和XKPRANGE，将虚拟地址的第60~63 位清零就等于物理地址，而其缓存属性是通过虚拟地址的第 60~61 位配置的（0表示强序 非缓存，1表示一致可缓存，2表示弱序非缓存）。
目前，我们仅用XKPRANGE来进行直接映射，XSPRANGE保留给以后用。
此处给出一个直接映射的例子：物理地址 0x00000000_00001000 的强序非缓存直接映射虚拟地址 （在XKPRANGE中）是 0x80000000_00001000 ，其一致可缓存直接映射虚拟地址（在XKPRANGE中） 是0x90000000_00001000 ，而其弱序非缓存直接映射虚拟地址（在XKPRANGE中）是 0xA0000000_00001000 。
4 Loongson与LoongArch的关系
LoongArch是一种RISC指令集架构（ISA），不同于现存的任何一种ISA，而Loongson（即龙 芯）是一个处理器家族。
龙芯包括三个系列：Loongson-1（龙芯1号）是32位处理器系列， Loongson-2（龙芯2号）是低端64位处理器系列，而Loongson-3（龙芯3号）是高端64位处理 器系列。
旧的龙芯处理器兼容MIPS架构，而新的龙芯处理器基于LoongArch架构。以龙芯3号为例：龙芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000都是兼容MIPS的，而龙芯3A5000/3B5000/3C5000（以及将来的型号）都是基于LoongArch的。龙芯2号系列，龙芯2K2100/2K2000/2K1000/2K500（以及将来的型号）也都是基于LoongArch的。
5 龙芯系列处理器核(LoongArch架构)
龙芯基于LoongArch研发了LA132、LA264、LA364、LA464和LA664五大系列处理器核。
LA132为单发射32位结构，采用静态流水线，性能对标Cortex M4，在龙芯1C102、1C103等MCU中使
用。
LA264为双发射32/64位结构，采用动态流水线，性能对标Cortex A55，在龙芯2K0500、2K1000LA等
SOC中使用。
LA364为三发射64位结构，采用动态流水线，性能对标Cortex A75，在龙芯2K2000等SOC中使用。
LA464为四发射64位结构，采用动态流水线，SPECCPU2006分值为10-12分/GHz。双访存、四定点、双向量、128项重排序缓存。性能对标Zen1，在龙芯3A5000、3C5000、3D5000等CPU中使用。
LA664为六发射64位结构，采用动态流水线，SPECCPU2006分值为14-17分/GHz。四访存、四定点、四向量、两路同时多线程（SMT2）、256项重排序缓存。性能对标Zen2，在龙芯3A6000、3C6000、3D6000等CPU中使用。
LA132及LA264系列CPU核将开放给合作伙伴。
LA364核可以用于对战略客户的IP授权及SOC设计服务。
LA464、LA664系列CPU核限于自用。
6 参考文献
Loongson官方网站（龙芯中科技术股份有限公司）： http://www.loongson.cn/ Loongson与LoongArch的开发者网站（软件与文档资源）： http://www.loongnix.cn/ https://github.com/loongson/ https://github.com/loongsonlab https://loongson.github.io/LoongArch-Documentation/ LoongArch指令集架构的文档： https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/download/2023.04.20/Lo ongArch-Vol1-v1.10-CN.pdf（中文版） https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/download/2023.04.20/Lo ongArch-Vol1-v1.10-EN.pdf（英文版） LoongArch的ELF psABI文档： https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/download/2023.04.20/LoongArch-ELF-ABI-v2.01-CN.pdf（中文版） https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/download/2023.04.20/LoongArch-ELF-ABI-v2.01-EN.pdf （英文版） LoongArch工具链规约文档： https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/download/2023.04.20/LoongArch-toolchain-conventions-v1.00-CN.pdf（中文版） https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/download/2023.04.20/LoongArch-toolchain-conventions-v1.00-EN.pdf（英文版） Loongson与LoongArch的Linux内核源码仓库： https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/chenhuacai/linux-loongson.git https://github.com/chenhuacai/linux/tree/loongarch-next
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