1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
3 .. include:: ../../disclaimer-zh_TW.rst
5 :Original: Documentation/arch/loongarch/introduction.rst
6 :Translator: Huacai Chen <chenhuacai@loongson.cn>
12 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
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)。
14 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
15 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
21 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)
22 和用於特權模式(PLV0)的控制狀態寄存器(CSRs)。
27 LoongArch包括32個通用寄存器( ``$r0`` ~ ``$r31`` ),LA32中每個寄存器爲32位寬,
28 LA64中每個寄存器爲64位寬。 ``$r0`` 的內容總是固定爲0,而其他寄存器在體系結構層面
29 沒有特殊功能。( ``$r1`` 算是一個例外,在BL指令中固定用作鏈接返回寄存器。)
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>`:
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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
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
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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。
58 當系統中存在FPU時,LoongArch有32個浮點寄存器( ``$f0`` ~ ``$f31`` )。在LA64
61 浮點寄存器的使用約定與LoongArch ELF psABI規範的描述相同:
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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 ================= ================== =================== ==========
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。
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)。
85 LSX使用 ``$v0`` ~ ``$v31`` 向量寄存器,而LASX則使用 ``$x0`` ~ ``$x31`` 。
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。
93 控制狀態寄存器只能在特權模式(PLV0)下訪問:
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97 ================= ==================================== ==========
105 0x7 出錯(Faulting)虛擬地址 BADV
106 0x8 出錯(Faulting)指令字 BADI
110 0x12 TLB表項低位0 TLBELO0
111 0x13 TLB表項低位1 TLBELO1
113 0x19 低半地址空間頁全局目錄基址 PGDL
114 0x1A 高半地址空間頁全局目錄基址 PGDH
121 0x21 特權資源配置信息1 PRCFG1
122 0x22 特權資源配置信息2 PRCFG2
123 0x23 特權資源配置信息3 PRCFG3
124 0x30+n (0≤n≤15) 數據保存寄存器 SAVEn
130 0x60 LLBit相關控制 LLBCTL
133 0x88 TLB重填異常入口地址 TLBRENTRY
134 0x89 TLB重填異常出錯(Faulting)虛地址 TLBRBADV
135 0x8A TLB重填異常返回地址 TLBRERA
136 0x8B TLB重填異常數據保存 TLBRSAVE
137 0x8C TLB重填異常表項低位0 TLBRELO0
138 0x8D TLB重填異常表項低位1 TLBRELO1
139 0x8E TLB重填異常表項高位 TLBEHI
140 0x8F TLB重填異常前模式信息 TLBRPRMD
142 0x91 機器錯誤信息1 MERRINFO1
143 0x92 機器錯誤信息2 MERRINFO2
144 0x93 機器錯誤異常入口地址 MERRENTRY
145 0x94 機器錯誤異常返回地址 MERRERA
146 0x95 機器錯誤異常數據保存 MERRSAVE
148 0x180+n (0≤n≤3) 直接映射配置窗口n DMWn
149 0x200+2n (0≤n≤31) 性能監測配置n PMCFGn
150 0x201+2n (0≤n≤31) 性能監測計數器n PMCNTn
151 0x300 內存讀寫監視點整體控制 MWPC
152 0x301 內存讀寫監視點整體狀態 MWPS
153 0x310+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置1 MWPnCFG1
154 0x311+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置2 MWPnCFG2
155 0x312+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置3 MWPnCFG3
156 0x313+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置4 MWPnCFG4
159 0x390+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置1 FWPnCFG1
160 0x391+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置2 FWPnCFG2
161 0x392+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置3 FWPnCFG3
162 0x393+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置4 FWPnCFG4
166 ================= ==================================== ==========
168 ERA,TLBRERA,MERRERA和DERA有時也分別稱爲EPC,TLBREPC,MERREPC和DEPC。
176 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):
178 =========== ==========================
180 =========== ==========================
182 3R Opcode + Rk + Rj + Rd
183 4R Opcode + Ra + Rk + Rj + Rd
184 2RI8 Opcode + I8 + Rj + Rd
185 2RI12 Opcode + I12 + Rj + Rd
186 2RI14 Opcode + I14 + Rj + Rd
187 2RI16 Opcode + I16 + Rj + Rd
188 1RI21 Opcode + I21L + Rj + I21H
189 I26 Opcode + I26L + I26H
190 =========== ==========================
192 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
193 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/
194 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
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。
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。
205 ADD.W SUB.W ADDI.W ADD.D SUB.D ADDI.D
207 AND OR NOR XOR ANDN ORN ANDI ORI XORI
208 MUL.W MULH.W MULH.WU DIV.W DIV.WU MOD.W MOD.WU
209 MUL.D MULH.D MULH.DU DIV.D DIV.DU MOD.D MOD.DU
210 PCADDI PCADDU12I PCADDU18I
211 LU12I.W LU32I.D LU52I.D ADDU16I.D
215 SLL.W SRL.W SRA.W ROTR.W SLLI.W SRLI.W SRAI.W ROTRI.W
216 SLL.D SRL.D SRA.D ROTR.D SLLI.D SRLI.D SRAI.D ROTRI.D
220 EXT.W.B EXT.W.H CLO.W CLO.D SLZ.W CLZ.D CTO.W CTO.D CTZ.W CTZ.D
221 BYTEPICK.W BYTEPICK.D BSTRINS.W BSTRINS.D BSTRPICK.W BSTRPICK.D
222 REVB.2H REVB.4H REVB.2W REVB.D REVH.2W REVH.D BITREV.4B BITREV.8B BITREV.W BITREV.D
227 BEQ BNE BLT BGE BLTU BGEU BEQZ BNEZ B BL JIRL
231 LD.B LD.BU LD.H LD.HU LD.W LD.WU LD.D ST.B ST.H ST.W ST.D
232 LDX.B LDX.BU LDX.H LDX.HU LDX.W LDX.WU LDX.D STX.B STX.H STX.W STX.D
233 LDPTR.W LDPTR.D STPTR.W STPTR.D
239 AMSWAP.W AMSWAP.D AMADD.W AMADD.D AMAND.W AMAND.D AMOR.W AMOR.D AMXOR.W AMXOR.D
240 AMMAX.W AMMAX.D AMMIN.W AMMIN.D
248 SYSCALL BREAK CPUCFG NOP IDLE ERTN(ERET) DBCL(DBGCALL) RDTIMEL.W RDTIMEH.W RDTIME.D
254 IOCSRRD.B IOCSRRD.H IOCSRRD.W IOCSRRD.D IOCSRWR.B IOCSRWR.H IOCSRWR.W IOCSRWR.D
255 CACOP TLBP(TLBSRCH) TLBRD TLBWR TLBFILL TLBCLR TLBFLUSH INVTLB LDDIR LDPTE
260 LoongArch可以使用直接映射虛擬內存和分頁映射虛擬內存。
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)
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)。
271 缺省狀態下,LA32的整個虛擬地址空間配置如下:
273 ============ =========================== ===========================
275 ============ =========================== ===========================
276 ``UVRANGE`` ``0x00000000 - 0x7FFFFFFF`` 分頁映射, 可緩存, PLV0~3
277 ``KPRANGE0`` ``0x80000000 - 0x9FFFFFFF`` 直接映射, 非緩存, PLV0
278 ``KPRANGE1`` ``0xA0000000 - 0xBFFFFFFF`` 直接映射, 可緩存, PLV0
279 ``KVRANGE`` ``0xC0000000 - 0xFFFFFFFF`` 分頁映射, 可緩存, PLV0
280 ============ =========================== ===========================
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
283 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
284 是0x80001000,而其可緩存直接映射虛擬地址是0xA0001000。
286 缺省狀態下,LA64的整個虛擬地址空間配置如下:
288 ============ ====================== ==================================
290 ============ ====================== ==================================
291 ``XUVRANGE`` ``0x0000000000000000 - 分頁映射, 可緩存, PLV0~3
293 ``XSPRANGE`` ``0x4000000000000000 - 直接映射, 可緩存 / 非緩存, PLV0
295 ``XKPRANGE`` ``0x8000000000000000 - 直接映射, 可緩存 / 非緩存, PLV0
297 ``XKVRANGE`` ``0xC000000000000000 - 分頁映射, 可緩存, PLV0
299 ============ ====================== ==================================
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
302 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
303 非緩存,1表示一致可緩存,2表示弱序非緩存)。
305 目前,我們僅用XKPRANGE來進行直接映射,XSPRANGE保留給以後用。
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_
312 Loongson與LoongArch的關係
313 =========================
315 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
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,
317 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
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
322 .. _loongarch-references-zh_TW:
327 Loongson官方網站(龍芯中科技術股份有限公司):
329 http://www.loongson.cn/
331 Loongson與LoongArch的開發者網站(軟件與文檔資源):
333 http://www.loongnix.cn/
335 https://github.com/loongson/
337 https://loongson.github.io/LoongArch-Documentation/
341 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.02-CN.pdf (中文版)
343 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.02-EN.pdf (英文版)
345 LoongArch的ELF psABI文檔:
347 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v2.01-CN.pdf (中文版)
349 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v2.01-EN.pdf (英文版)
351 Loongson與LoongArch的Linux內核源碼倉庫:
353 https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/chenhuacai/linux-loongson.git