0001 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
0002
0003 .. include:: ../disclaimer-zh_CN.rst
0004
0005 :Original: Documentation/loongarch/introduction.rst
0006 :Translator: Huacai Chen <chenhuacai@loongson.cn>
0007
0008 =============
0009 LoongArch介绍
0010 =============
0011
0012 LoongArch是一种新的RISC ISA，在一定程度上类似于MIPS和RISC-V。LoongArch指令集
0013 包括一个精简32位版（LA32R）、一个标准32位版（LA32S）、一个64位版（LA64）。
0014 LoongArch定义了四个特权级（PLV0~PLV3），其中PLV0是最高特权级，用于内核；而PLV3
0015 是最低特权级，用于应用程序。本文档介绍了LoongArch的寄存器、基础指令集、虚拟内
0016 存以及其他一些主题。
0017
0018 寄存器
0019 ======
0020
0021 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）
0022 和用于特权模式（PLV0）的控制状态寄存器（CSRs）。
0023
0024 通用寄存器
0025 ----------
0026
0027 LoongArch包括32个通用寄存器（ ``$r0`` ~ ``$r31`` ），LA32中每个寄存器为32位宽，
0028 LA64中每个寄存器为64位宽。 ``$r0`` 的内容总是固定为0，而其他寄存器在体系结构层面
0029 没有特殊功能。（ ``$r1`` 算是一个例外，在BL指令中固定用作链接返回寄存器。）
0030
0031 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
0032 :ref:`参考文献 <loongarch-references-zh_CN>`:
0033
0034 ================= =============== =================== ==========
0035 寄存器名 别名 用途 跨调用保持
0036 ================= =============== =================== ==========
0037 ``$r0`` ``$zero`` 常量0 不使用
0038 ``$r1`` ``$ra`` 返回地址 否
0039 ``$r2`` ``$tp`` TLS/线程信息指针 不使用
0040 ``$r3`` ``$sp`` 栈指针 是
0041 ``$r4``-``$r11`` ``$a0``-``$a7`` 参数寄存器 否
0042 ``$r4``-``$r5`` ``$v0``-``$v1`` 返回值 否
0043 ``$r12``-``$r20`` ``$t0``-``$t8`` 临时寄存器 否
0044 ``$r21`` ``$u0`` 每CPU变量基地址 不使用
0045 ``$r22`` ``$fp`` 帧指针 是
0046 ``$r23``-``$r31`` ``$s0``-``$s8`` 静态寄存器 是
0047 ================= =============== =================== ==========
0048
0049 .. note::
0050 注意： ``$r21`` 寄存器在ELF psABI中保留未使用，但是在Linux内核用于保
0051 存每CPU变量基地址。该寄存器没有ABI命名，不过在内核中称为 ``$u0`` 。在
0052 一些遗留代码中有时可能见到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ，它们是 ``$a0`` 和
0053 ``$a1`` 的别名，属于已经废弃的用法。
0054
0055 浮点寄存器
0056 ----------
0057
0058 当系统中存在FPU时，LoongArch有32个浮点寄存器（ ``$f0`` ~ ``$f31`` ）。在LA64
0059 的CPU核上，每个寄存器均为64位宽。
0060
0061 浮点寄存器的使用约定与LoongArch ELF psABI规范的描述相同：
0062
0063 ================= ================== =================== ==========
0064 寄存器名 别名 用途 跨调用保持
0065 ================= ================== =================== ==========
0066 ``$f0``-``$f7`` ``$fa0``-``$fa7`` 参数寄存器 否
0067 ``$f0``-``$f1`` ``$fv0``-``$fv1`` 返回值 否
0068 ``$f8``-``$f23`` ``$ft0``-``$ft15`` 临时寄存器 否
0069 ``$f24``-``$f31`` ``$fs0``-``$fs7`` 静态寄存器 是
0070 ================= ================== =================== ==========
0071
0072 .. note::
0073 注意：在一些遗留代码中有时可能见到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ，它们是
0074 ``$a0`` 和 ``$a1`` 的别名，属于已经废弃的用法。
0075
0076
0077 向量寄存器
0078 ----------
0079
0080 LoongArch现有两种向量扩展：
0081
0082 - 128位向量扩展LSX（全称Loongson SIMD eXtention），
0083 - 256位向量扩展LASX（全称Loongson Advanced SIMD eXtention）。
0084
0085 LSX使用 ``$v0`` ~ ``$v31`` 向量寄存器，而LASX则使用 ``$x0`` ~ ``$x31`` 。
0086
0087 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， ``$x0`` 的
0088 低128位与 ``$v0`` 共用， ``$v0`` 的低64位与 ``$f0`` 共用，其他寄存器依此类推。
0089
0090 控制状态寄存器
0091 --------------
0092
0093 控制状态寄存器只能在特权模式（PLV0）下访问:
0094
0095 ================= ==================================== ==========
0096 地址 全称描述 简称
0097 ================= ==================================== ==========
0098 0x0 当前模式信息 CRMD
0099 0x1 异常前模式信息 PRMD
0100 0x2 扩展部件使能 EUEN
0101 0x3 杂项控制 MISC
0102 0x4 异常配置 ECFG
0103 0x5 异常状态 ESTAT
0104 0x6 异常返回地址 ERA
0105 0x7 出错(Faulting)虚拟地址 BADV
0106 0x8 出错(Faulting)指令字 BADI
0107 0xC 异常入口地址 EENTRY
0108 0x10 TLB索引 TLBIDX
0109 0x11 TLB表项高位 TLBEHI
0110 0x12 TLB表项低位0 TLBELO0
0111 0x13 TLB表项低位1 TLBELO1
0112 0x18 地址空间标识符 ASID
0113 0x19 低半地址空间页全局目录基址 PGDL
0114 0x1A 高半地址空间页全局目录基址 PGDH
0115 0x1B 页全局目录基址 PGD
0116 0x1C 页表遍历控制低半部分 PWCL
0117 0x1D 页表遍历控制高半部分 PWCH
0118 0x1E STLB页大小 STLBPS
0119 0x1F 缩减虚地址配置 RVACFG
0120 0x20 CPU编号 CPUID
0121 0x21 特权资源配置信息1 PRCFG1
0122 0x22 特权资源配置信息2 PRCFG2
0123 0x23 特权资源配置信息3 PRCFG3
0124 0x30+n (0≤n≤15) 数据保存寄存器 SAVEn
0125 0x40 定时器编号 TID
0126 0x41 定时器配置 TCFG
0127 0x42 定时器值 TVAL
0128 0x43 计时器补偿 CNTC
0129 0x44 定时器中断清除 TICLR
0130 0x60 LLBit相关控制 LLBCTL
0131 0x80 实现相关控制1 IMPCTL1
0132 0x81 实现相关控制2 IMPCTL2
0133 0x88 TLB重填异常入口地址 TLBRENTRY
0134 0x89 TLB重填异常出错(Faulting)虚地址 TLBRBADV
0135 0x8A TLB重填异常返回地址 TLBRERA
0136 0x8B TLB重填异常数据保存 TLBRSAVE
0137 0x8C TLB重填异常表项低位0 TLBRELO0
0138 0x8D TLB重填异常表项低位1 TLBRELO1
0139 0x8E TLB重填异常表项高位 TLBEHI
0140 0x8F TLB重填异常前模式信息 TLBRPRMD
0141 0x90 机器错误控制 MERRCTL
0142 0x91 机器错误信息1 MERRINFO1
0143 0x92 机器错误信息2 MERRINFO2
0144 0x93 机器错误异常入口地址 MERRENTRY
0145 0x94 机器错误异常返回地址 MERRERA
0146 0x95 机器错误异常数据保存 MERRSAVE
0147 0x98 高速缓存标签 CTAG
0148 0x180+n (0≤n≤3) 直接映射配置窗口n DMWn
0149 0x200+2n (0≤n≤31) 性能监测配置n PMCFGn
0150 0x201+2n (0≤n≤31) 性能监测计数器n PMCNTn
0151 0x300 内存读写监视点整体控制 MWPC
0152 0x301 内存读写监视点整体状态 MWPS
0153 0x310+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置1 MWPnCFG1
0154 0x311+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置2 MWPnCFG2
0155 0x312+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置3 MWPnCFG3
0156 0x313+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置4 MWPnCFG4
0157 0x380 取指监视点整体控制 FWPC
0158 0x381 取指监视点整体状态 FWPS
0159 0x390+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置1 FWPnCFG1
0160 0x391+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置2 FWPnCFG2
0161 0x392+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置3 FWPnCFG3
0162 0x393+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置4 FWPnCFG4
0163 0x500 调试寄存器 DBG
0164 0x501 调试异常返回地址 DERA
0165 0x502 调试数据保存 DSAVE
0166 ================= ==================================== ==========
0167
0168 ERA，TLBRERA，MERRERA和DERA有时也分别称为EPC，TLBREPC，MERREPC和DEPC。
0169
0170 基础指令集
0171 ==========
0172
0173 指令格式
0174 --------
0175
0176 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）:
0177
0178 =========== ==========================
0179 格式名称 指令构成
0180 =========== ==========================
0181 2R Opcode + Rj + Rd
0182 3R Opcode + Rk + Rj + Rd
0183 4R Opcode + Ra + Rk + Rj + Rd
0184 2RI8 Opcode + I8 + Rj + Rd
0185 2RI12 Opcode + I12 + Rj + Rd
0186 2RI14 Opcode + I14 + Rj + Rd
0187 2RI16 Opcode + I16 + Rj + Rd
0188 1RI21 Opcode + I21L + Rj + I21H
0189 I26 Opcode + I26L + I26H
0190 =========== ==========================
0191
0192 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
0193 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/
0194 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
0195 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。
0196
0197 指令列表
0198 --------
0199
0200 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
0201 :ref:`参考文献 <loongarch-references-zh_CN>` 中的文档。
0202
0203 1. 算术运算指令::
0204
0205 ADD.W SUB.W ADDI.W ADD.D SUB.D ADDI.D
0206 SLT SLTU SLTI SLTUI
0207 AND OR NOR XOR ANDN ORN ANDI ORI XORI
0208 MUL.W MULH.W MULH.WU DIV.W DIV.WU MOD.W MOD.WU
0209 MUL.D MULH.D MULH.DU DIV.D DIV.DU MOD.D MOD.DU
0210 PCADDI PCADDU12I PCADDU18I
0211 LU12I.W LU32I.D LU52I.D ADDU16I.D
0212
0213 2. 移位运算指令::
0214
0215 SLL.W SRL.W SRA.W ROTR.W SLLI.W SRLI.W SRAI.W ROTRI.W
0216 SLL.D SRL.D SRA.D ROTR.D SLLI.D SRLI.D SRAI.D ROTRI.D
0217
0218 3. 位域操作指令::
0219
0220 EXT.W.B EXT.W.H CLO.W CLO.D SLZ.W CLZ.D CTO.W CTO.D CTZ.W CTZ.D
0221 BYTEPICK.W BYTEPICK.D BSTRINS.W BSTRINS.D BSTRPICK.W BSTRPICK.D
0222 REVB.2H REVB.4H REVB.2W REVB.D REVH.2W REVH.D BITREV.4B BITREV.8B BITREV.W BITREV.D
0223 MASKEQZ MASKNEZ
0224
0225 4. 分支转移指令::
0226
0227 BEQ BNE BLT BGE BLTU BGEU BEQZ BNEZ B BL JIRL
0228
0229 5. 访存读写指令::
0230
0231 LD.B LD.BU LD.H LD.HU LD.W LD.WU LD.D ST.B ST.H ST.W ST.D
0232 LDX.B LDX.BU LDX.H LDX.HU LDX.W LDX.WU LDX.D STX.B STX.H STX.W STX.D
0233 LDPTR.W LDPTR.D STPTR.W STPTR.D
0234 PRELD PRELDX
0235
0236 6. 原子操作指令::
0237
0238 LL.W SC.W LL.D SC.D
0239 AMSWAP.W AMSWAP.D AMADD.W AMADD.D AMAND.W AMAND.D AMOR.W AMOR.D AMXOR.W AMXOR.D
0240 AMMAX.W AMMAX.D AMMIN.W AMMIN.D
0241
0242 7. 栅障指令::
0243
0244 IBAR DBAR
0245
0246 8. 特殊指令::
0247
0248 SYSCALL BREAK CPUCFG NOP IDLE ERTN(ERET) DBCL(DBGCALL) RDTIMEL.W RDTIMEH.W RDTIME.D
0249 ASRTLE.D ASRTGT.D
0250
0251 9. 特权指令::
0252
0253 CSRRD CSRWR CSRXCHG
0254 IOCSRRD.B IOCSRRD.H IOCSRRD.W IOCSRRD.D IOCSRWR.B IOCSRWR.H IOCSRWR.W IOCSRWR.D
0255 CACOP TLBP(TLBSRCH) TLBRD TLBWR TLBFILL TLBCLR TLBFLUSH INVTLB LDDIR LDPTE
0256
0257 虚拟内存
0258 ========
0259
0260 LoongArch可以使用直接映射虚拟内存和分页映射虚拟内存。
0261
0262 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）
0263 之间有简单的映射关系::
0264
0265 VA = PA + 固定偏移
0266
0267 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
0268 表中。LoongArch的TLB包括一个全相联的MTLB（Multiple Page Size TLB，多样页大小TLB）
0269 和一个组相联的STLB（Single Page Size TLB，单一页大小TLB）。
0270
0271 缺省状态下，LA32的整个虚拟地址空间配置如下：
0272
0273 ============ =========================== ===========================
0274 区段名 地址范围 属性
0275 ============ =========================== ===========================
0276 ``UVRANGE`` ``0x00000000 - 0x7FFFFFFF`` 分页映射, 可缓存, PLV0~3
0277 ``KPRANGE0`` ``0x80000000 - 0x9FFFFFFF`` 直接映射, 非缓存, PLV0
0278 ``KPRANGE1`` ``0xA0000000 - 0xBFFFFFFF`` 直接映射, 可缓存, PLV0
0279 ``KVRANGE`` ``0xC0000000 - 0xFFFFFFFF`` 分页映射, 可缓存, PLV0
0280 ============ =========================== ===========================
0281
0282 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
0283 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
0284 是0x80001000，而其可缓存直接映射虚拟地址是0xA0001000。
0285
0286 缺省状态下，LA64的整个虚拟地址空间配置如下：
0287
0288 ============ ====================== ==================================
0289 区段名 地址范围 属性
0290 ============ ====================== ==================================
0291 ``XUVRANGE`` ``0x0000000000000000 - 分页映射, 可缓存, PLV0~3
0292 0x3FFFFFFFFFFFFFFF``
0293 ``XSPRANGE`` ``0x4000000000000000 - 直接映射, 可缓存 / 非缓存, PLV0
0294 0x7FFFFFFFFFFFFFFF``
0295 ``XKPRANGE`` ``0x8000000000000000 - 直接映射, 可缓存 / 非缓存, PLV0
0296 0xBFFFFFFFFFFFFFFF``
0297 ``XKVRANGE`` ``0xC000000000000000 - 分页映射, 可缓存, PLV0
0298 0xFFFFFFFFFFFFFFFF``
0299 ============ ====================== ==================================
0300
0301 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
0302 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
0303 非缓存，1表示一致可缓存，2表示弱序非缓存）。
0304
0305 目前，我们仅用XKPRANGE来进行直接映射，XSPRANGE保留给以后用。
0306
0307 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
0308 （在XKPRANGE中）是0x80000000_00001000，其一致可缓存直接映射虚拟地址（在XKPRANGE中）
0309 是0x90000000_00001000，而其弱序非缓存直接映射虚拟地址（在XKPRANGE中）是0xA0000000_
0310 00001000。
0311
0312 Loongson与LoongArch的关系
0313 =========================
0314
0315 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
0316 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，
0317 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
0318 器系列。旧的龙芯处理器基于MIPS架构，而新的龙芯处理器基于LoongArch架构。以龙芯3号
0319 为例：龙芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000都是兼容MIPS的，而龙芯3A5000（以及将
0320 来的型号）都是基于LoongArch的。
0321
0322 .. _loongarch-references-zh_CN:
0323
0324 参考文献
0325 ========
0326
0327 Loongson官方网站（龙芯中科技术股份有限公司）：
0328
0329 http://www.loongson.cn/
0330
0331 Loongson与LoongArch的开发者网站（软件与文档资源）：
0332
0333 http://www.loongnix.cn/
0334
0335 https://github.com/loongson/
0336
0337 https://loongson.github.io/LoongArch-Documentation/
0338
0339 LoongArch指令集架构的文档：
0340
0341 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.00-CN.pdf （中文版）
0342
0343 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.00-EN.pdf （英文版）
0344
0345 LoongArch的ELF psABI文档：
0346
0347 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v1.00-CN.pdf （中文版）
0348
0349 https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v1.00-EN.pdf （英文版）
0350
0351 Loongson与LoongArch的Linux内核源码仓库：
0352
0353 https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/chenhuacai/linux-loongson.git
