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16 KiB
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.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 |
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.. include:: ../disclaimer-zh_CN.rst |
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:Original: Documentation/loongarch/introduction.rst |
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:Translator: Huacai Chen <[email protected]> |
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LoongArch介绍 |
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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 |
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包括一个精简32位版(LA32R)、一个标准32位版(LA32S)、一个64位版(LA64)。 |
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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 |
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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 |
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存以及其他一些主题。 |
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寄存器 |
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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) |
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和用于特权模式(PLV0)的控制状态寄存器(CSRs)。 |
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通用寄存器 |
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LoongArch包括32个通用寄存器( ``$r0`` ~ ``$r31`` ),LA32中每个寄存器为32位宽, |
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LA64中每个寄存器为64位宽。 ``$r0`` 的内容总是固定为0,而其他寄存器在体系结构层面 |
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没有特殊功能。( ``$r1`` 算是一个例外,在BL指令中固定用作链接返回寄存器。) |
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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 |
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:ref:`参考文献 <loongarch-references-zh_CN>`: |
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================= =============== =================== ========== |
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寄存器名 别名 用途 跨调用保持 |
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================= =============== =================== ========== |
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``$r0`` ``$zero`` 常量0 不使用 |
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``$r1`` ``$ra`` 返回地址 否 |
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``$r2`` ``$tp`` TLS/线程信息指针 不使用 |
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``$r3`` ``$sp`` 栈指针 是 |
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``$r4``-``$r11`` ``$a0``-``$a7`` 参数寄存器 否 |
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``$r4``-``$r5`` ``$v0``-``$v1`` 返回值 否 |
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``$r12``-``$r20`` ``$t0``-``$t8`` 临时寄存器 否 |
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``$r21`` ``$u0`` 每CPU变量基地址 不使用 |
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``$r22`` ``$fp`` 帧指针 是 |
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``$r23``-``$r31`` ``$s0``-``$s8`` 静态寄存器 是 |
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================= =============== =================== ========== |
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.. note:: |
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注意: ``$r21`` 寄存器在ELF psABI中保留未使用,但是在Linux内核用于保 |
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存每CPU变量基地址。该寄存器没有ABI命名,不过在内核中称为 ``$u0`` 。在 |
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一些遗留代码中有时可能见到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ,它们是 ``$a0`` 和 |
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``$a1`` 的别名,属于已经废弃的用法。 |
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浮点寄存器 |
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当系统中存在FPU时,LoongArch有32个浮点寄存器( ``$f0`` ~ ``$f31`` )。在LA64 |
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的CPU核上,每个寄存器均为64位宽。 |
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浮点寄存器的使用约定与LoongArch ELF psABI规范的描述相同: |
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================= ================== =================== ========== |
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寄存器名 别名 用途 跨调用保持 |
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================= ================== =================== ========== |
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``$f0``-``$f7`` ``$fa0``-``$fa7`` 参数寄存器 否 |
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``$f0``-``$f1`` ``$fv0``-``$fv1`` 返回值 否 |
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``$f8``-``$f23`` ``$ft0``-``$ft15`` 临时寄存器 否 |
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``$f24``-``$f31`` ``$fs0``-``$fs7`` 静态寄存器 是 |
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================= ================== =================== ========== |
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.. note:: |
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注意:在一些遗留代码中有时可能见到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ,它们是 |
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``$a0`` 和 ``$a1`` 的别名,属于已经废弃的用法。 |
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向量寄存器 |
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LoongArch现有两种向量扩展: |
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- 128位向量扩展LSX(全称Loongson SIMD eXtention), |
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- 256位向量扩展LASX(全称Loongson Advanced SIMD eXtention)。 |
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LSX使用 ``$v0`` ~ ``$v31`` 向量寄存器,而LASX则使用 ``$x0`` ~ ``$x31`` 。 |
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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, ``$x0`` 的 |
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低128位与 ``$v0`` 共用, ``$v0`` 的低64位与 ``$f0`` 共用,其他寄存器依此类推。 |
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控制状态寄存器 |
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控制状态寄存器只能在特权模式(PLV0)下访问: |
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地址 全称描述 简称 |
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0x0 当前模式信息 CRMD |
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0x1 异常前模式信息 PRMD |
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0x2 扩展部件使能 EUEN |
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0x3 杂项控制 MISC |
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0x4 异常配置 ECFG |
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0x5 异常状态 ESTAT |
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0x6 异常返回地址 ERA |
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0x7 出错(Faulting)虚拟地址 BADV |
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0x8 出错(Faulting)指令字 BADI |
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0xC 异常入口地址 EENTRY |
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0x10 TLB索引 TLBIDX |
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0x11 TLB表项高位 TLBEHI |
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0x12 TLB表项低位0 TLBELO0 |
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0x13 TLB表项低位1 TLBELO1 |
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0x18 地址空间标识符 ASID |
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0x19 低半地址空间页全局目录基址 PGDL |
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0x1A 高半地址空间页全局目录基址 PGDH |
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0x1B 页全局目录基址 PGD |
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0x1C 页表遍历控制低半部分 PWCL |
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0x1D 页表遍历控制高半部分 PWCH |
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0x1E STLB页大小 STLBPS |
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0x1F 缩减虚地址配置 RVACFG |
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0x20 CPU编号 CPUID |
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0x21 特权资源配置信息1 PRCFG1 |
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0x22 特权资源配置信息2 PRCFG2 |
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0x23 特权资源配置信息3 PRCFG3 |
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0x30+n (0≤n≤15) 数据保存寄存器 SAVEn |
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0x40 定时器编号 TID |
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0x41 定时器配置 TCFG |
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0x42 定时器值 TVAL |
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0x43 计时器补偿 CNTC |
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0x44 定时器中断清除 TICLR |
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0x60 LLBit相关控制 LLBCTL |
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0x80 实现相关控制1 IMPCTL1 |
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0x81 实现相关控制2 IMPCTL2 |
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0x88 TLB重填异常入口地址 TLBRENTRY |
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0x89 TLB重填异常出错(Faulting)虚地址 TLBRBADV |
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0x8A TLB重填异常返回地址 TLBRERA |
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0x8B TLB重填异常数据保存 TLBRSAVE |
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0x8C TLB重填异常表项低位0 TLBRELO0 |
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0x8D TLB重填异常表项低位1 TLBRELO1 |
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0x8E TLB重填异常表项高位 TLBEHI |
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0x8F TLB重填异常前模式信息 TLBRPRMD |
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0x90 机器错误控制 MERRCTL |
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0x91 机器错误信息1 MERRINFO1 |
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0x92 机器错误信息2 MERRINFO2 |
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0x93 机器错误异常入口地址 MERRENTRY |
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0x94 机器错误异常返回地址 MERRERA |
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0x95 机器错误异常数据保存 MERRSAVE |
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0x98 高速缓存标签 CTAG |
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0x180+n (0≤n≤3) 直接映射配置窗口n DMWn |
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0x200+2n (0≤n≤31) 性能监测配置n PMCFGn |
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0x201+2n (0≤n≤31) 性能监测计数器n PMCNTn |
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0x300 内存读写监视点整体控制 MWPC |
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0x301 内存读写监视点整体状态 MWPS |
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0x310+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置1 MWPnCFG1 |
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0x311+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置2 MWPnCFG2 |
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0x312+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置3 MWPnCFG3 |
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0x313+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置4 MWPnCFG4 |
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0x380 取指监视点整体控制 FWPC |
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0x381 取指监视点整体状态 FWPS |
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0x390+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置1 FWPnCFG1 |
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0x391+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置2 FWPnCFG2 |
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0x392+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置3 FWPnCFG3 |
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0x393+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置4 FWPnCFG4 |
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0x500 调试寄存器 DBG |
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0x501 调试异常返回地址 DERA |
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0x502 调试数据保存 DSAVE |
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ERA,TLBRERA,MERRERA和DERA有时也分别称为EPC,TLBREPC,MERREPC和DEPC。 |
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基础指令集 |
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指令格式 |
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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): |
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格式名称 指令构成 |
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2R Opcode + Rj + Rd |
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3R Opcode + Rk + Rj + Rd |
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4R Opcode + Ra + Rk + Rj + Rd |
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2RI8 Opcode + I8 + Rj + Rd |
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2RI12 Opcode + I12 + Rj + Rd |
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2RI14 Opcode + I14 + Rj + Rd |
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2RI16 Opcode + I16 + Rj + Rd |
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1RI21 Opcode + I21L + Rj + I21H |
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I26 Opcode + I26L + I26H |
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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 |
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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/ |
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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 |
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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。 |
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指令列表 |
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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 |
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:ref:`参考文献 <loongarch-references-zh_CN>` 中的文档。 |
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1. 算术运算指令:: |
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ADD.W SUB.W ADDI.W ADD.D SUB.D ADDI.D |
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SLT SLTU SLTI SLTUI |
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AND OR NOR XOR ANDN ORN ANDI ORI XORI |
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MUL.W MULH.W MULH.WU DIV.W DIV.WU MOD.W MOD.WU |
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MUL.D MULH.D MULH.DU DIV.D DIV.DU MOD.D MOD.DU |
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PCADDI PCADDU12I PCADDU18I |
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LU12I.W LU32I.D LU52I.D ADDU16I.D |
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2. 移位运算指令:: |
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SLL.W SRL.W SRA.W ROTR.W SLLI.W SRLI.W SRAI.W ROTRI.W |
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SLL.D SRL.D SRA.D ROTR.D SLLI.D SRLI.D SRAI.D ROTRI.D |
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3. 位域操作指令:: |
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EXT.W.B EXT.W.H CLO.W CLO.D SLZ.W CLZ.D CTO.W CTO.D CTZ.W CTZ.D |
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BYTEPICK.W BYTEPICK.D BSTRINS.W BSTRINS.D BSTRPICK.W BSTRPICK.D |
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REVB.2H REVB.4H REVB.2W REVB.D REVH.2W REVH.D BITREV.4B BITREV.8B BITREV.W BITREV.D |
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MASKEQZ MASKNEZ |
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4. 分支转移指令:: |
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BEQ BNE BLT BGE BLTU BGEU BEQZ BNEZ B BL JIRL |
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5. 访存读写指令:: |
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LD.B LD.BU LD.H LD.HU LD.W LD.WU LD.D ST.B ST.H ST.W ST.D |
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LDX.B LDX.BU LDX.H LDX.HU LDX.W LDX.WU LDX.D STX.B STX.H STX.W STX.D |
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LDPTR.W LDPTR.D STPTR.W STPTR.D |
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PRELD PRELDX |
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6. 原子操作指令:: |
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LL.W SC.W LL.D SC.D |
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AMSWAP.W AMSWAP.D AMADD.W AMADD.D AMAND.W AMAND.D AMOR.W AMOR.D AMXOR.W AMXOR.D |
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AMMAX.W AMMAX.D AMMIN.W AMMIN.D |
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7. 栅障指令:: |
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IBAR DBAR |
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8. 特殊指令:: |
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SYSCALL BREAK CPUCFG NOP IDLE ERTN(ERET) DBCL(DBGCALL) RDTIMEL.W RDTIMEH.W RDTIME.D |
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ASRTLE.D ASRTGT.D |
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9. 特权指令:: |
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CSRRD CSRWR CSRXCHG |
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IOCSRRD.B IOCSRRD.H IOCSRRD.W IOCSRRD.D IOCSRWR.B IOCSRWR.H IOCSRWR.W IOCSRWR.D |
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CACOP TLBP(TLBSRCH) TLBRD TLBWR TLBFILL TLBCLR TLBFLUSH INVTLB LDDIR LDPTE |
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虚拟内存 |
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LoongArch可以使用直接映射虚拟内存和分页映射虚拟内存。 |
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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) |
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之间有简单的映射关系:: |
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VA = PA + 固定偏移 |
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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 |
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表中。LoongArch的TLB包括一个全相联的MTLB(Multiple Page Size TLB,多样页大小TLB) |
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和一个组相联的STLB(Single Page Size TLB,单一页大小TLB)。 |
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缺省状态下,LA32的整个虚拟地址空间配置如下: |
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============ =========================== =========================== |
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区段名 地址范围 属性 |
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============ =========================== =========================== |
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``UVRANGE`` ``0x00000000 - 0x7FFFFFFF`` 分页映射, 可缓存, PLV0~3 |
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``KPRANGE0`` ``0x80000000 - 0x9FFFFFFF`` 直接映射, 非缓存, PLV0 |
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``KPRANGE1`` ``0xA0000000 - 0xBFFFFFFF`` 直接映射, 可缓存, PLV0 |
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``KVRANGE`` ``0xC0000000 - 0xFFFFFFFF`` 分页映射, 可缓存, PLV0 |
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============ =========================== =========================== |
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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 |
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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 |
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是0x80001000,而其可缓存直接映射虚拟地址是0xA0001000。 |
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缺省状态下,LA64的整个虚拟地址空间配置如下: |
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============ ====================== ================================== |
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区段名 地址范围 属性 |
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============ ====================== ================================== |
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``XUVRANGE`` ``0x0000000000000000 - 分页映射, 可缓存, PLV0~3 |
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0x3FFFFFFFFFFFFFFF`` |
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``XSPRANGE`` ``0x4000000000000000 - 直接映射, 可缓存 / 非缓存, PLV0 |
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0x7FFFFFFFFFFFFFFF`` |
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``XKPRANGE`` ``0x8000000000000000 - 直接映射, 可缓存 / 非缓存, PLV0 |
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0xBFFFFFFFFFFFFFFF`` |
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``XKVRANGE`` ``0xC000000000000000 - 分页映射, 可缓存, PLV0 |
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0xFFFFFFFFFFFFFFFF`` |
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============ ====================== ================================== |
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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 |
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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 |
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非缓存,1表示一致可缓存,2表示弱序非缓存)。 |
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目前,我们仅用XKPRANGE来进行直接映射,XSPRANGE保留给以后用。 |
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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 |
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(在XKPRANGE中)是0x80000000_00001000,其一致可缓存直接映射虚拟地址(在XKPRANGE中) |
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是0x90000000_00001000,而其弱序非缓存直接映射虚拟地址(在XKPRANGE中)是0xA0000000_ |
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00001000。 |
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Loongson与LoongArch的关系 |
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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 |
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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, |
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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 |
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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 |
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为例:龙芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000都是兼容MIPS的,而龙芯3A5000(以及将 |
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来的型号)都是基于LoongArch的。 |
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.. _loongarch-references-zh_CN: |
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参考文献 |
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Loongson官方网站(龙芯中科技术股份有限公司): |
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http://www.loongson.cn/ |
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Loongson与LoongArch的开发者网站(软件与文档资源): |
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http://www.loongnix.cn/ |
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https://github.com/loongson/ |
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https://loongson.github.io/LoongArch-Documentation/ |
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|
LoongArch指令集架构的文档: |
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https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.00-CN.pdf (中文版) |
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https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.00-EN.pdf (英文版) |
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|
LoongArch的ELF psABI文档: |
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https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v1.00-CN.pdf (中文版) |
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https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v1.00-EN.pdf (英文版) |
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|
Loongson与LoongArch的Linux内核源码仓库: |
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https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/chenhuacai/linux-loongson.git
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