| .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 |
| |
| .. include:: ../../disclaimer-zh_TW.rst |
| |
| :Original: Documentation/arch/loongarch/introduction.rst |
| :Translator: Huacai Chen <chenhuacai@loongson.cn> |
| |
| ============= |
| LoongArch介紹 |
| ============= |
| |
| LoongArch是一種新的RISC ISA，在一定程度上類似於MIPS和RISC-V。LoongArch指令集 |
| 包括一個精簡32位版（LA32R）、一個標準32位版（LA32S）、一個64位版（LA64）。 |
| LoongArch定義了四個特權級（PLV0~PLV3），其中PLV0是最高特權級，用於內核；而PLV3 |
| 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 |
| 存以及其他一些主題。 |
| |
| 寄存器 |
| ====== |
| |
| LoongArch的寄存器包括通用寄存器（GPRs）、浮點寄存器（FPRs）、向量寄存器（VRs） |
| 和用於特權模式（PLV0）的控制狀態寄存器（CSRs）。 |
| |
| 通用寄存器 |
| ---------- |
| |
| LoongArch包括32個通用寄存器（ ``$r0`` ~ ``$r31`` ），LA32中每個寄存器爲32位寬， |
| LA64中每個寄存器爲64位寬。 ``$r0`` 的內容總是固定爲0，而其他寄存器在體系結構層面 |
| 沒有特殊功能。（ ``$r1`` 算是一個例外，在BL指令中固定用作鏈接返回寄存器。） |
| |
| 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 |
| :ref:`參考文獻 <loongarch-references-zh_TW>`: |
| |
| ================= =============== =================== ========== |
| 寄存器名 別名 用途 跨調用保持 |
| ================= =============== =================== ========== |
| ``$r0`` ``$zero`` 常量0 不使用 |
| ``$r1`` ``$ra`` 返回地址 否 |
| ``$r2`` ``$tp`` TLS/線程信息指針 不使用 |
| ``$r3`` ``$sp`` 棧指針 是 |
| ``$r4``-``$r11`` ``$a0``-``$a7`` 參數寄存器 否 |
| ``$r4``-``$r5`` ``$v0``-``$v1`` 返回值 否 |
| ``$r12``-``$r20`` ``$t0``-``$t8`` 臨時寄存器 否 |
| ``$r21`` ``$u0`` 每CPU變量基地址 不使用 |
| ``$r22`` ``$fp`` 幀指針 是 |
| ``$r23``-``$r31`` ``$s0``-``$s8`` 靜態寄存器 是 |
| ================= =============== =================== ========== |
| |
| .. note:: |
| 注意： ``$r21`` 寄存器在ELF psABI中保留未使用，但是在Linux內核用於保 |
| 存每CPU變量基地址。該寄存器沒有ABI命名，不過在內核中稱爲 ``$u0`` 。在 |
| 一些遺留代碼中有時可能見到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ，它們是 ``$a0`` 和 |
| ``$a1`` 的別名，屬於已經廢棄的用法。 |
| |
| 浮點寄存器 |
| ---------- |
| |
| 當系統中存在FPU時，LoongArch有32個浮點寄存器（ ``$f0`` ~ ``$f31`` ）。在LA64 |
| 的CPU核上，每個寄存器均爲64位寬。 |
| |
| 浮點寄存器的使用約定與LoongArch ELF psABI規範的描述相同： |
| |
| ================= ================== =================== ========== |
| 寄存器名 別名 用途 跨調用保持 |
| ================= ================== =================== ========== |
| ``$f0``-``$f7`` ``$fa0``-``$fa7`` 參數寄存器 否 |
| ``$f0``-``$f1`` ``$fv0``-``$fv1`` 返回值 否 |
| ``$f8``-``$f23`` ``$ft0``-``$ft15`` 臨時寄存器 否 |
| ``$f24``-``$f31`` ``$fs0``-``$fs7`` 靜態寄存器 是 |
| ================= ================== =================== ========== |
| |
| .. note:: |
| 注意：在一些遺留代碼中有時可能見到 ``$fv0`` 和 ``$fv1`` ，它們是 |
| ``$fa0`` 和 ``$fa1`` 的別名，屬於已經廢棄的用法。 |
| |
| |
| 向量寄存器 |
| ---------- |
| |
| LoongArch現有兩種向量擴展： |
| |
| - 128位向量擴展LSX（全稱Loongson SIMD eXtention）， |
| - 256位向量擴展LASX（全稱Loongson Advanced SIMD eXtention）。 |
| |
| LSX使用 ``$v0`` ~ ``$v31`` 向量寄存器，而LASX則使用 ``$x0`` ~ ``$x31`` 。 |
| |
| 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， ``$x0`` 的 |
| 低128位與 ``$v0`` 共用， ``$v0`` 的低64位與 ``$f0`` 共用，其他寄存器依此類推。 |
| |
| 控制狀態寄存器 |
| -------------- |
| |
| 控制狀態寄存器只能在特權模式（PLV0）下訪問: |
| |
| ================= ==================================== ========== |
| 地址 全稱描述 簡稱 |
| ================= ==================================== ========== |
| 0x0 當前模式信息 CRMD |
| 0x1 異常前模式信息 PRMD |
| 0x2 擴展部件使能 EUEN |
| 0x3 雜項控制 MISC |
| 0x4 異常配置 ECFG |
| 0x5 異常狀態 ESTAT |
| 0x6 異常返回地址 ERA |
| 0x7 出錯(Faulting)虛擬地址 BADV |
| 0x8 出錯(Faulting)指令字 BADI |
| 0xC 異常入口地址 EENTRY |
| 0x10 TLB索引 TLBIDX |
| 0x11 TLB表項高位 TLBEHI |
| 0x12 TLB表項低位0 TLBELO0 |
| 0x13 TLB表項低位1 TLBELO1 |
| 0x18 地址空間標識符 ASID |
| 0x19 低半地址空間頁全局目錄基址 PGDL |
| 0x1A 高半地址空間頁全局目錄基址 PGDH |
| 0x1B 頁全局目錄基址 PGD |
| 0x1C 頁表遍歷控制低半部分 PWCL |
| 0x1D 頁表遍歷控制高半部分 PWCH |
| 0x1E STLB頁大小 STLBPS |
| 0x1F 縮減虛地址配置 RVACFG |
| 0x20 CPU編號 CPUID |
| 0x21 特權資源配置信息1 PRCFG1 |
| 0x22 特權資源配置信息2 PRCFG2 |
| 0x23 特權資源配置信息3 PRCFG3 |
| 0x30+n (0≤n≤15) 數據保存寄存器 SAVEn |
| 0x40 定時器編號 TID |
| 0x41 定時器配置 TCFG |
| 0x42 定時器值 TVAL |
| 0x43 計時器補償 CNTC |
| 0x44 定時器中斷清除 TICLR |
| 0x60 LLBit相關控制 LLBCTL |
| 0x80 實現相關控制1 IMPCTL1 |
| 0x81 實現相關控制2 IMPCTL2 |
| 0x88 TLB重填異常入口地址 TLBRENTRY |
| 0x89 TLB重填異常出錯(Faulting)虛地址 TLBRBADV |
| 0x8A TLB重填異常返回地址 TLBRERA |
| 0x8B TLB重填異常數據保存 TLBRSAVE |
| 0x8C TLB重填異常表項低位0 TLBRELO0 |
| 0x8D TLB重填異常表項低位1 TLBRELO1 |
| 0x8E TLB重填異常表項高位 TLBEHI |
| 0x8F TLB重填異常前模式信息 TLBRPRMD |
| 0x90 機器錯誤控制 MERRCTL |
| 0x91 機器錯誤信息1 MERRINFO1 |
| 0x92 機器錯誤信息2 MERRINFO2 |
| 0x93 機器錯誤異常入口地址 MERRENTRY |
| 0x94 機器錯誤異常返回地址 MERRERA |
| 0x95 機器錯誤異常數據保存 MERRSAVE |
| 0x98 高速緩存標籤 CTAG |
| 0x180+n (0≤n≤3) 直接映射配置窗口n DMWn |
| 0x200+2n (0≤n≤31) 性能監測配置n PMCFGn |
| 0x201+2n (0≤n≤31) 性能監測計數器n PMCNTn |
| 0x300 內存讀寫監視點整體控制 MWPC |
| 0x301 內存讀寫監視點整體狀態 MWPS |
| 0x310+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置1 MWPnCFG1 |
| 0x311+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置2 MWPnCFG2 |
| 0x312+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置3 MWPnCFG3 |
| 0x313+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置4 MWPnCFG4 |
| 0x380 取指監視點整體控制 FWPC |
| 0x381 取指監視點整體狀態 FWPS |
| 0x390+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置1 FWPnCFG1 |
| 0x391+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置2 FWPnCFG2 |
| 0x392+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置3 FWPnCFG3 |
| 0x393+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置4 FWPnCFG4 |
| 0x500 調試寄存器 DBG |
| 0x501 調試異常返回地址 DERA |
| 0x502 調試數據保存 DSAVE |
| ================= ==================================== ========== |
| |
| ERA，TLBRERA，MERRERA和DERA有時也分別稱爲EPC，TLBREPC，MERREPC和DEPC。 |
| |
| 基礎指令集 |
| ========== |
| |
| 指令格式 |
| -------- |
| |
| LoongArch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）: |
| |
| =========== ========================== |
| 格式名稱 指令構成 |
| =========== ========================== |
| 2R Opcode + Rj + Rd |
| 3R Opcode + Rk + Rj + Rd |
| 4R Opcode + Ra + Rk + Rj + Rd |
| 2RI8 Opcode + I8 + Rj + Rd |
| 2RI12 Opcode + I12 + Rj + Rd |
| 2RI14 Opcode + I14 + Rj + Rd |
| 2RI16 Opcode + I16 + Rj + Rd |
| 1RI21 Opcode + I21L + Rj + I21H |
| I26 Opcode + I26L + I26H |
| =========== ========================== |
| |
| Opcode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 |
| 4R-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/ |
| 16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 |
| 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。 |
| |
| 指令列表 |
| -------- |
| |
| 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 |
| :ref:`參考文獻 <loongarch-references-zh_TW>` 中的文檔。 |
| |
| 1. 算術運算指令:: |
| |
| 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 |
| |
| 2. 移位運算指令:: |
| |
| 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 |
| |
| 3. 位域操作指令:: |
| |
| 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 |
| |
| 4. 分支轉移指令:: |
| |
| BEQ BNE BLT BGE BLTU BGEU BEQZ BNEZ B BL JIRL |
| |
| 5. 訪存讀寫指令:: |
| |
| LD.B LD.BU LD.H LD.HU LD.W LD.WU LD.D ST.B ST.H ST.W ST.D |
| LDX.B LDX.BU LDX.H LDX.HU LDX.W LDX.WU LDX.D STX.B STX.H STX.W STX.D |
| LDPTR.W LDPTR.D STPTR.W STPTR.D |
| PRELD PRELDX |
| |
| 6. 原子操作指令:: |
| |
| 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 |
| |
| 7. 柵障指令:: |
| |
| IBAR DBAR |
| |
| 8. 特殊指令:: |
| |
| SYSCALL BREAK CPUCFG NOP IDLE ERTN(ERET) DBCL(DBGCALL) RDTIMEL.W RDTIMEH.W RDTIME.D |
| ASRTLE.D ASRTGT.D |
| |
| 9. 特權指令:: |
| |
| 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 |
| |
| 虛擬內存 |
| ======== |
| |
| LoongArch可以使用直接映射虛擬內存和分頁映射虛擬內存。 |
| |
| 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） |
| 之間有簡單的映射關係:: |
| |
| VA = PA + 固定偏移 |
| |
| 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 |
| 表中。LoongArch的TLB包括一個全相聯的MTLB（Multiple Page Size TLB，多樣頁大小TLB） |
| 和一個組相聯的STLB（Single Page Size TLB，單一頁大小TLB）。 |
| |
| 缺省狀態下，LA32的整個虛擬地址空間配置如下： |
| |
| ============ =========================== =========================== |
| 區段名 地址範圍 屬性 |
| ============ =========================== =========================== |
| ``UVRANGE`` ``0x00000000 - 0x7FFFFFFF`` 分頁映射, 可緩存, PLV0~3 |
| ``KPRANGE0`` ``0x80000000 - 0x9FFFFFFF`` 直接映射, 非緩存, PLV0 |
| ``KPRANGE1`` ``0xA0000000 - 0xBFFFFFFF`` 直接映射, 可緩存, PLV0 |
| ``KVRANGE`` ``0xC0000000 - 0xFFFFFFFF`` 分頁映射, 可緩存, PLV0 |
| ============ =========================== =========================== |
| |
| 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 |
| 30~31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 |
| 是0x80001000，而其可緩存直接映射虛擬地址是0xA0001000。 |
| |
| 缺省狀態下，LA64的整個虛擬地址空間配置如下： |
| |
| ============ ====================== ================================== |
| 區段名 地址範圍 屬性 |
| ============ ====================== ================================== |
| ``XUVRANGE`` ``0x0000000000000000 - 分頁映射, 可緩存, PLV0~3 |
| 0x3FFFFFFFFFFFFFFF`` |
| ``XSPRANGE`` ``0x4000000000000000 - 直接映射, 可緩存 / 非緩存, PLV0 |
| 0x7FFFFFFFFFFFFFFF`` |
| ``XKPRANGE`` ``0x8000000000000000 - 直接映射, 可緩存 / 非緩存, PLV0 |
| 0xBFFFFFFFFFFFFFFF`` |
| ``XKVRANGE`` ``0xC000000000000000 - 分頁映射, 可緩存, PLV0 |
| 0xFFFFFFFFFFFFFFFF`` |
| ============ ====================== ================================== |
| |
| 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 |
| 60~63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 |
| 非緩存，1表示一致可緩存，2表示弱序非緩存）。 |
| |
| 目前，我們僅用XKPRANGE來進行直接映射，XSPRANGE保留給以後用。 |
| |
| 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 |
| （在XKPRANGE中）是0x80000000_00001000，其一致可緩存直接映射虛擬地址（在XKPRANGE中） |
| 是0x90000000_00001000，而其弱序非緩存直接映射虛擬地址（在XKPRANGE中）是0xA0000000_ |
| 00001000。 |
| |
| Loongson與LoongArch的關係 |
| ========================= |
| |
| LoongArch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 |
| 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， |
| Loongson-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 |
| 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 |
| 爲例：龍芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000都是兼容MIPS的，而龍芯3A5000（以及將 |
| 來的型號）都是基於LoongArch的。 |
| |
| .. _loongarch-references-zh_TW: |
| |
| 參考文獻 |
| ======== |
| |
| Loongson官方網站（龍芯中科技術股份有限公司）： |
| |
| http://www.loongson.cn/ |
| |
| Loongson與LoongArch的開發者網站（軟件與文檔資源）： |
| |
| http://www.loongnix.cn/ |
| |
| https://github.com/loongson/ |
| |
| https://loongson.github.io/LoongArch-Documentation/ |
| |
| LoongArch指令集架構的文檔： |
| |
| https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.02-CN.pdf （中文版） |
| |
| https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.02-EN.pdf （英文版） |
| |
| LoongArch的ELF psABI文檔： |
| |
| https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v2.01-CN.pdf （中文版） |
| |
| https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v2.01-EN.pdf （英文版） |
| |
| Loongson與LoongArch的Linux內核源碼倉庫： |
| |
| https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/chenhuacai/linux-loongson.git |
| |
