355 lines · plain
1.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.02 3.. include:: ../../disclaimer-zh_TW.rst4 5:Original: Documentation/arch/loongarch/introduction.rst6:Translator: Huacai Chen <chenhuacai@loongson.cn>7 8=============9LoongArch介紹10=============11 12LoongArch是一種新的RISC ISA，在一定程度上類似於MIPS和RISC-V。LoongArch指令集13包括一個精簡32位版（LA32R）、一個標準32位版（LA32S）、一個64位版（LA64）。14LoongArch定義了四個特權級（PLV0~PLV3），其中PLV0是最高特權級，用於內核；而PLV315是最低特權級，用於應用程序。本文檔介紹了LoongArch的寄存器、基礎指令集、虛擬內16存以及其他一些主題。17 18寄存器19======20 21LoongArch的寄存器包括通用寄存器（GPRs）、浮點寄存器（FPRs）、向量寄存器（VRs）22和用於特權模式（PLV0）的控制狀態寄存器（CSRs）。23 24通用寄存器25----------26 27LoongArch包括32個通用寄存器（ ``$r0`` ~ ``$r31`` ），LA32中每個寄存器爲32位寬，28LA64中每個寄存器爲64位寬。 ``$r0`` 的內容總是固定爲0，而其他寄存器在體系結構層面29沒有特殊功能。（ ``$r1`` 算是一個例外，在BL指令中固定用作鏈接返回寄存器。）30 31內核使用了一套LoongArch寄存器約定，定義在LoongArch ELF psABI規範中，詳細描述參見32:ref:`參考文獻 <loongarch-references-zh_TW>`:33 34================= =============== =================== ==========35寄存器名 別名 用途 跨調用保持36================= =============== =================== ==========37``$r0`` ``$zero`` 常量0 不使用38``$r1`` ``$ra`` 返回地址 否39``$r2`` ``$tp`` TLS/線程信息指針 不使用40``$r3`` ``$sp`` 棧指針 是41``$r4``-``$r11`` ``$a0``-``$a7`` 參數寄存器 否42``$r4``-``$r5`` ``$v0``-``$v1`` 返回值 否43``$r12``-``$r20`` ``$t0``-``$t8`` 臨時寄存器 否44``$r21`` ``$u0`` 每CPU變量基地址 不使用45``$r22`` ``$fp`` 幀指針 是46``$r23``-``$r31`` ``$s0``-``$s8`` 靜態寄存器 是47================= =============== =================== ==========48 49.. note::50 注意： ``$r21`` 寄存器在ELF psABI中保留未使用，但是在Linux內核用於保51 存每CPU變量基地址。該寄存器沒有ABI命名，不過在內核中稱爲 ``$u0`` 。在52 一些遺留代碼中有時可能見到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ，它們是 ``$a0`` 和53 ``$a1`` 的別名，屬於已經廢棄的用法。54 55浮點寄存器56----------57 58當系統中存在FPU時，LoongArch有32個浮點寄存器（ ``$f0`` ~ ``$f31`` ）。在LA6459的CPU核上，每個寄存器均爲64位寬。60 61浮點寄存器的使用約定與LoongArch ELF psABI規範的描述相同：62 63================= ================== =================== ==========64寄存器名 別名 用途 跨調用保持65================= ================== =================== ==========66``$f0``-``$f7`` ``$fa0``-``$fa7`` 參數寄存器 否67``$f0``-``$f1`` ``$fv0``-``$fv1`` 返回值 否68``$f8``-``$f23`` ``$ft0``-``$ft15`` 臨時寄存器 否69``$f24``-``$f31`` ``$fs0``-``$fs7`` 靜態寄存器 是70================= ================== =================== ==========71 72.. note::73 注意：在一些遺留代碼中有時可能見到 ``$fv0`` 和 ``$fv1`` ，它們是74 ``$fa0`` 和 ``$fa1`` 的別名，屬於已經廢棄的用法。75 76 77向量寄存器78----------79 80LoongArch現有兩種向量擴展：81 82- 128位向量擴展LSX（全稱Loongson SIMD eXtention），83- 256位向量擴展LASX（全稱Loongson Advanced SIMD eXtention）。84 85LSX使用 ``$v0`` ~ ``$v31`` 向量寄存器，而LASX則使用 ``$x0`` ~ ``$x31`` 。86 87浮點寄存器和向量寄存器是複用的，比如：在一個實現了LSX和LASX的核上， ``$x0`` 的88低128位與 ``$v0`` 共用， ``$v0`` 的低64位與 ``$f0`` 共用，其他寄存器依此類推。89 90控制狀態寄存器91--------------92 93控制狀態寄存器只能在特權模式（PLV0）下訪問:94 95================= ==================================== ==========96地址 全稱描述 簡稱97================= ==================================== ==========980x0 當前模式信息 CRMD990x1 異常前模式信息 PRMD1000x2 擴展部件使能 EUEN1010x3 雜項控制 MISC1020x4 異常配置 ECFG1030x5 異常狀態 ESTAT1040x6 異常返回地址 ERA1050x7 出錯(Faulting)虛擬地址 BADV1060x8 出錯(Faulting)指令字 BADI1070xC 異常入口地址 EENTRY1080x10 TLB索引 TLBIDX1090x11 TLB表項高位 TLBEHI1100x12 TLB表項低位0 TLBELO01110x13 TLB表項低位1 TLBELO11120x18 地址空間標識符 ASID1130x19 低半地址空間頁全局目錄基址 PGDL1140x1A 高半地址空間頁全局目錄基址 PGDH1150x1B 頁全局目錄基址 PGD1160x1C 頁表遍歷控制低半部分 PWCL1170x1D 頁表遍歷控制高半部分 PWCH1180x1E STLB頁大小 STLBPS1190x1F 縮減虛地址配置 RVACFG1200x20 CPU編號 CPUID1210x21 特權資源配置信息1 PRCFG11220x22 特權資源配置信息2 PRCFG21230x23 特權資源配置信息3 PRCFG31240x30+n (0≤n≤15) 數據保存寄存器 SAVEn1250x40 定時器編號 TID1260x41 定時器配置 TCFG1270x42 定時器值 TVAL1280x43 計時器補償 CNTC1290x44 定時器中斷清除 TICLR1300x60 LLBit相關控制 LLBCTL1310x80 實現相關控制1 IMPCTL11320x81 實現相關控制2 IMPCTL21330x88 TLB重填異常入口地址 TLBRENTRY1340x89 TLB重填異常出錯(Faulting)虛地址 TLBRBADV1350x8A TLB重填異常返回地址 TLBRERA1360x8B TLB重填異常數據保存 TLBRSAVE1370x8C TLB重填異常表項低位0 TLBRELO01380x8D TLB重填異常表項低位1 TLBRELO11390x8E TLB重填異常表項高位 TLBEHI1400x8F TLB重填異常前模式信息 TLBRPRMD1410x90 機器錯誤控制 MERRCTL1420x91 機器錯誤信息1 MERRINFO11430x92 機器錯誤信息2 MERRINFO21440x93 機器錯誤異常入口地址 MERRENTRY1450x94 機器錯誤異常返回地址 MERRERA1460x95 機器錯誤異常數據保存 MERRSAVE1470x98 高速緩存標籤 CTAG1480x180+n (0≤n≤3) 直接映射配置窗口n DMWn1490x200+2n (0≤n≤31) 性能監測配置n PMCFGn1500x201+2n (0≤n≤31) 性能監測計數器n PMCNTn1510x300 內存讀寫監視點整體控制 MWPC1520x301 內存讀寫監視點整體狀態 MWPS1530x310+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置1 MWPnCFG11540x311+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置2 MWPnCFG21550x312+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置3 MWPnCFG31560x313+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置4 MWPnCFG41570x380 取指監視點整體控制 FWPC1580x381 取指監視點整體狀態 FWPS1590x390+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置1 FWPnCFG11600x391+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置2 FWPnCFG21610x392+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置3 FWPnCFG31620x393+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置4 FWPnCFG41630x500 調試寄存器 DBG1640x501 調試異常返回地址 DERA1650x502 調試數據保存 DSAVE166================= ==================================== ==========167 168ERA，TLBRERA，MERRERA和DERA有時也分別稱爲EPC，TLBREPC，MERREPC和DEPC。169 170基礎指令集171==========172 173指令格式174--------175 176LoongArch的指令字長爲32位，一共有9種基本指令格式（以及一些變體）:177 178=========== ==========================179格式名稱 指令構成180=========== ==========================1812R Opcode + Rj + Rd1823R Opcode + Rk + Rj + Rd1834R Opcode + Ra + Rk + Rj + Rd1842RI8 Opcode + I8 + Rj + Rd1852RI12 Opcode + I12 + Rj + Rd1862RI14 Opcode + I14 + Rj + Rd1872RI16 Opcode + I16 + Rj + Rd1881RI21 Opcode + I21L + Rj + I21H189I26 Opcode + I26L + I26H190=========== ==========================191 192Opcode是指令操作碼，Rj和Rk是源操作數（寄存器），Rd是目標操作數（寄存器），Ra是1934R-type格式特有的附加操作數（寄存器）。I8/I12/I14/I16/I21/I26分別是8位/12位/14位/19416位/21位/26位的立即數。其中較長的21位和26位立即數在指令字中被分割爲高位部分與低位195部分，所以你們在這裏的格式描述中能夠看到I21L/I21H和I26L/I26H這樣帶後綴的表述。196 197指令列表198--------199 200爲了簡便起見，我們在此只羅列一下指令名稱（助記符），需要詳細信息請閱讀201:ref:`參考文獻 <loongarch-references-zh_TW>` 中的文檔。202 2031. 算術運算指令::204 205 ADD.W SUB.W ADDI.W ADD.D SUB.D ADDI.D206 SLT SLTU SLTI SLTUI207 AND OR NOR XOR ANDN ORN ANDI ORI XORI208 MUL.W MULH.W MULH.WU DIV.W DIV.WU MOD.W MOD.WU209 MUL.D MULH.D MULH.DU DIV.D DIV.DU MOD.D MOD.DU210 PCADDI PCADDU12I PCADDU18I211 LU12I.W LU32I.D LU52I.D ADDU16I.D212 2132. 移位運算指令::214 215 SLL.W SRL.W SRA.W ROTR.W SLLI.W SRLI.W SRAI.W ROTRI.W216 SLL.D SRL.D SRA.D ROTR.D SLLI.D SRLI.D SRAI.D ROTRI.D217 2183. 位域操作指令::219 220 EXT.W.B EXT.W.H CLO.W CLO.D SLZ.W CLZ.D CTO.W CTO.D CTZ.W CTZ.D221 BYTEPICK.W BYTEPICK.D BSTRINS.W BSTRINS.D BSTRPICK.W BSTRPICK.D222 REVB.2H REVB.4H REVB.2W REVB.D REVH.2W REVH.D BITREV.4B BITREV.8B BITREV.W BITREV.D223 MASKEQZ MASKNEZ224 2254. 分支轉移指令::226 227 BEQ BNE BLT BGE BLTU BGEU BEQZ BNEZ B BL JIRL228 2295. 訪存讀寫指令::230 231 LD.B LD.BU LD.H LD.HU LD.W LD.WU LD.D ST.B ST.H ST.W ST.D232 LDX.B LDX.BU LDX.H LDX.HU LDX.W LDX.WU LDX.D STX.B STX.H STX.W STX.D233 LDPTR.W LDPTR.D STPTR.W STPTR.D234 PRELD PRELDX235 2366. 原子操作指令::237 238 LL.W SC.W LL.D SC.D239 AMSWAP.W AMSWAP.D AMADD.W AMADD.D AMAND.W AMAND.D AMOR.W AMOR.D AMXOR.W AMXOR.D240 AMMAX.W AMMAX.D AMMIN.W AMMIN.D241 2427. 柵障指令::243 244 IBAR DBAR245 2468. 特殊指令::247 248 SYSCALL BREAK CPUCFG NOP IDLE ERTN(ERET) DBCL(DBGCALL) RDTIMEL.W RDTIMEH.W RDTIME.D249 ASRTLE.D ASRTGT.D250 2519. 特權指令::252 253 CSRRD CSRWR CSRXCHG254 IOCSRRD.B IOCSRRD.H IOCSRRD.W IOCSRRD.D IOCSRWR.B IOCSRWR.H IOCSRWR.W IOCSRWR.D255 CACOP TLBP(TLBSRCH) TLBRD TLBWR TLBFILL TLBCLR TLBFLUSH INVTLB LDDIR LDPTE256 257虛擬內存258========259 260LoongArch可以使用直接映射虛擬內存和分頁映射虛擬內存。261 262直接映射虛擬內存通過CSR.DMWn（n=0~3）來進行配置，虛擬地址（VA）和物理地址（PA）263之間有簡單的映射關係::264 265 VA = PA + 固定偏移266 267分頁映射的虛擬地址（VA）和物理地址（PA）有任意的映射關係，這種關係記錄在TLB和頁268表中。LoongArch的TLB包括一個全相聯的MTLB（Multiple Page Size TLB，多樣頁大小TLB）269和一個組相聯的STLB（Single Page Size TLB，單一頁大小TLB）。270 271缺省狀態下，LA32的整個虛擬地址空間配置如下：272 273============ =========================== ===========================274區段名 地址範圍 屬性275============ =========================== ===========================276``UVRANGE`` ``0x00000000 - 0x7FFFFFFF`` 分頁映射, 可緩存, PLV0~3277``KPRANGE0`` ``0x80000000 - 0x9FFFFFFF`` 直接映射, 非緩存, PLV0278``KPRANGE1`` ``0xA0000000 - 0xBFFFFFFF`` 直接映射, 可緩存, PLV0279``KVRANGE`` ``0xC0000000 - 0xFFFFFFFF`` 分頁映射, 可緩存, PLV0280============ =========================== ===========================281 282用戶態（PLV3）只能訪問UVRANGE，對於直接映射的KPRANGE0和KPRANGE1，將虛擬地址的第28330~31位清零就等於物理地址。例如：物理地址0x00001000對應的非緩存直接映射虛擬地址284是0x80001000，而其可緩存直接映射虛擬地址是0xA0001000。285 286缺省狀態下，LA64的整個虛擬地址空間配置如下：287 288============ ====================== ==================================289區段名 地址範圍 屬性290============ ====================== ==================================291``XUVRANGE`` ``0x0000000000000000 - 分頁映射, 可緩存, PLV0~3292 0x3FFFFFFFFFFFFFFF``293``XSPRANGE`` ``0x4000000000000000 - 直接映射, 可緩存 / 非緩存, PLV0294 0x7FFFFFFFFFFFFFFF``295``XKPRANGE`` ``0x8000000000000000 - 直接映射, 可緩存 / 非緩存, PLV0296 0xBFFFFFFFFFFFFFFF``297``XKVRANGE`` ``0xC000000000000000 - 分頁映射, 可緩存, PLV0298 0xFFFFFFFFFFFFFFFF``299============ ====================== ==================================300 301用戶態（PLV3）只能訪問XUVRANGE，對於直接映射的XSPRANGE和XKPRANGE，將虛擬地址的第30260~63位清零就等於物理地址，而其緩存屬性是通過虛擬地址的第60~61位配置的（0表示強序303非緩存，1表示一致可緩存，2表示弱序非緩存）。304 305目前，我們僅用XKPRANGE來進行直接映射，XSPRANGE保留給以後用。306 307此處給出一個直接映射的例子：物理地址0x00000000_00001000的強序非緩存直接映射虛擬地址308（在XKPRANGE中）是0x80000000_00001000，其一致可緩存直接映射虛擬地址（在XKPRANGE中）309是0x90000000_00001000，而其弱序非緩存直接映射虛擬地址（在XKPRANGE中）是0xA0000000_31000001000。311 312Loongson與LoongArch的關係313=========================314 315LoongArch是一種RISC指令集架構（ISA），不同於現存的任何一種ISA，而Loongson（即龍316芯）是一個處理器家族。龍芯包括三個系列：Loongson-1（龍芯1號）是32位處理器系列，317Loongson-2（龍芯2號）是低端64位處理器系列，而Loongson-3（龍芯3號）是高端64位處理318器系列。舊的龍芯處理器基於MIPS架構，而新的龍芯處理器基於LoongArch架構。以龍芯3號319爲例：龍芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000都是兼容MIPS的，而龍芯3A5000（以及將320來的型號）都是基於LoongArch的。321 322.. _loongarch-references-zh_TW:323 324參考文獻325========326 327Loongson官方網站（龍芯中科技術股份有限公司）：328 329 http://www.loongson.cn/330 331Loongson與LoongArch的開發者網站（軟件與文檔資源）：332 333 http://www.loongnix.cn/334 335 https://github.com/loongson/336 337 https://loongson.github.io/LoongArch-Documentation/338 339LoongArch指令集架構的文檔：340 341 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.02-CN.pdf （中文版）342 343 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.02-EN.pdf （英文版）344 345LoongArch的ELF psABI文檔：346 347 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v2.01-CN.pdf （中文版）348 349 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v2.01-EN.pdf （英文版）350 351Loongson與LoongArch的Linux內核源碼倉庫：352 353 https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/chenhuacai/linux-loongson.git354 355