Documentation/translations/zh_CN/loongarch/introduction.rst

   1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2
   3 .. include:: ../disclaimer-zh_CN.rst
   4
   5 :Original: Documentation/loongarch/introduction.rst
   6 :Translator: Huacai Chen <chenhuacai@loongson.cn>
   7
   8 =============
   9 LoongArch介绍
  10 =============
  11
  12 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
  13 包括一个精简32位版（LA32R）、一个标准32位版（LA32S）、一个64位版（LA64）。
  14 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
  15 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
  16 存以及其他一些主题。
  17
  18 寄存器
  19 ======
  20
  21 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）
  22 和用于特权模式（PLV0）的控制状态寄存器（CSRs）。
  23
  24 通用寄存器
  25 ----------
  26
  27 LoongArch包括32个通用寄存器（ ``$r0`` ~ ``$r31`` ），LA32中每个寄存器为32位宽，
  28 LA64中每个寄存器为64位宽。 ``$r0`` 的内容总是固定为0，而其他寄存器在体系结构层面
  29 没有特殊功能。（ ``$r1`` 算是一个例外，在BL指令中固定用作链接返回寄存器。）
  30
  31 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
  32 :ref:`参考文献 <loongarch-references-zh_CN>`:
  33
  34 ================= =============== =================== ==========
  35 寄存器名          别名            用途                跨调用保持
  36 ================= =============== =================== ==========
  37 ``$r0``           ``$zero``       常量0               不使用
  38 ``$r1``           ``$ra``         返回地址            否
  39 ``$r2``           ``$tp``         TLS/线程信息指针    不使用
  40 ``$r3``           ``$sp``         栈指针              是
  41 ``$r4``-``$r11``  ``$a0``-``$a7`` 参数寄存器          否
  42 ``$r4``-``$r5``   ``$v0``-``$v1`` 返回值              否
  43 ``$r12``-``$r20`` ``$t0``-``$t8`` 临时寄存器          否
  44 ``$r21``          ``$u0``         每CPU变量基地址     不使用
  45 ``$r22``          ``$fp``         帧指针              是
  46 ``$r23``-``$r31`` ``$s0``-``$s8`` 静态寄存器          是
  47 ================= =============== =================== ==========
  48
  49 .. note::
  50     注意： ``$r21`` 寄存器在ELF psABI中保留未使用，但是在Linux内核用于保
  51     存每CPU变量基地址。该寄存器没有ABI命名，不过在内核中称为 ``$u0`` 。在
  52     一些遗留代码中有时可能见到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ，它们是 ``$a0`` 和
  53     ``$a1`` 的别名，属于已经废弃的用法。
  54
  55 浮点寄存器
  56 ----------
  57
  58 当系统中存在FPU时，LoongArch有32个浮点寄存器（ ``$f0`` ~ ``$f31`` ）。在LA64
  59 的CPU核上，每个寄存器均为64位宽。
  60
  61 浮点寄存器的使用约定与LoongArch ELF psABI规范的描述相同：
  62
  63 ================= ================== =================== ==========
  64 寄存器名          别名               用途                跨调用保持
  65 ================= ================== =================== ==========
  66 ``$f0``-``$f7``   ``$fa0``-``$fa7``  参数寄存器          否
  67 ``$f0``-``$f1``   ``$fv0``-``$fv1``  返回值              否
  68 ``$f8``-``$f23``  ``$ft0``-``$ft15`` 临时寄存器          否
  69 ``$f24``-``$f31`` ``$fs0``-``$fs7``  静态寄存器          是
  70 ================= ================== =================== ==========
  71
  72 .. note::
  73     注意：在一些遗留代码中有时可能见到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ，它们是
  74     ``$a0`` 和 ``$a1`` 的别名，属于已经废弃的用法。
  75
  76
  77 向量寄存器
  78 ----------
  79
  80 LoongArch现有两种向量扩展：
  81
  82 - 128位向量扩展LSX（全称Loongson SIMD eXtention），
  83 - 256位向量扩展LASX（全称Loongson Advanced SIMD eXtention）。
  84
  85 LSX使用 ``$v0`` ~ ``$v31`` 向量寄存器，而LASX则使用 ``$x0`` ~ ``$x31`` 。
  86
  87 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， ``$x0`` 的
  88 低128位与 ``$v0`` 共用， ``$v0`` 的低64位与 ``$f0`` 共用，其他寄存器依此类推。
  89
  90 控制状态寄存器
  91 --------------
  92
  93 控制状态寄存器只能在特权模式（PLV0）下访问:
  94
  95 ================= ==================================== ==========
  96 地址              全称描述                             简称
  97 ================= ==================================== ==========
  98 0x0               当前模式信息                         CRMD
  99 0x1               异常前模式信息                       PRMD
 100 0x2               扩展部件使能                         EUEN
 101 0x3               杂项控制                             MISC
 102 0x4               异常配置                             ECFG
 103 0x5               异常状态                             ESTAT
 104 0x6               异常返回地址                         ERA
 105 0x7               出错(Faulting)虚拟地址               BADV
 106 0x8               出错(Faulting)指令字                 BADI
 107 0xC               异常入口地址                         EENTRY
 108 0x10              TLB索引                              TLBIDX
 109 0x11              TLB表项高位                          TLBEHI
 110 0x12              TLB表项低位0                         TLBELO0
 111 0x13              TLB表项低位1                         TLBELO1
 112 0x18              地址空间标识符                       ASID
 113 0x19              低半地址空间页全局目录基址           PGDL
 114 0x1A              高半地址空间页全局目录基址           PGDH
 115 0x1B              页全局目录基址                       PGD
 116 0x1C              页表遍历控制低半部分                 PWCL
 117 0x1D              页表遍历控制高半部分                 PWCH
 118 0x1E              STLB页大小                           STLBPS
 119 0x1F              缩减虚地址配置                       RVACFG
 120 0x20              CPU编号                              CPUID
 121 0x21              特权资源配置信息1                    PRCFG1
 122 0x22              特权资源配置信息2                    PRCFG2
 123 0x23              特权资源配置信息3                    PRCFG3
 124 0x30+n (0≤n≤15)   数据保存寄存器                       SAVEn
 125 0x40              定时器编号                           TID
 126 0x41              定时器配置                           TCFG
 127 0x42              定时器值                             TVAL
 128 0x43              计时器补偿                           CNTC
 129 0x44              定时器中断清除                       TICLR
 130 0x60              LLBit相关控制                        LLBCTL
 131 0x80              实现相关控制1                        IMPCTL1
 132 0x81              实现相关控制2                        IMPCTL2
 133 0x88              TLB重填异常入口地址                  TLBRENTRY
 134 0x89              TLB重填异常出错(Faulting)虚地址      TLBRBADV
 135 0x8A              TLB重填异常返回地址                  TLBRERA
 136 0x8B              TLB重填异常数据保存                  TLBRSAVE
 137 0x8C              TLB重填异常表项低位0                 TLBRELO0
 138 0x8D              TLB重填异常表项低位1                 TLBRELO1
 139 0x8E              TLB重填异常表项高位                  TLBEHI
 140 0x8F              TLB重填异常前模式信息                TLBRPRMD
 141 0x90              机器错误控制                         MERRCTL
 142 0x91              机器错误信息1                        MERRINFO1
 143 0x92              机器错误信息2                        MERRINFO2
 144 0x93              机器错误异常入口地址                 MERRENTRY
 145 0x94              机器错误异常返回地址                 MERRERA
 146 0x95              机器错误异常数据保存                 MERRSAVE
 147 0x98              高速缓存标签                         CTAG
 148 0x180+n (0≤n≤3)   直接映射配置窗口n                    DMWn
 149 0x200+2n (0≤n≤31) 性能监测配置n                        PMCFGn
 150 0x201+2n (0≤n≤31) 性能监测计数器n                      PMCNTn
 151 0x300             内存读写监视点整体控制               MWPC
 152 0x301             内存读写监视点整体状态               MWPS
 153 0x310+8n (0≤n≤7)  内存读写监视点n配置1                 MWPnCFG1
 154 0x311+8n (0≤n≤7)  内存读写监视点n配置2                 MWPnCFG2
 155 0x312+8n (0≤n≤7)  内存读写监视点n配置3                 MWPnCFG3
 156 0x313+8n (0≤n≤7)  内存读写监视点n配置4                 MWPnCFG4
 157 0x380             取指监视点整体控制                   FWPC
 158 0x381             取指监视点整体状态                   FWPS
 159 0x390+8n (0≤n≤7)  取指监视点n配置1                     FWPnCFG1
 160 0x391+8n (0≤n≤7)  取指监视点n配置2                     FWPnCFG2
 161 0x392+8n (0≤n≤7)  取指监视点n配置3                     FWPnCFG3
 162 0x393+8n (0≤n≤7)  取指监视点n配置4                     FWPnCFG4
 163 0x500             调试寄存器                           DBG
 164 0x501             调试异常返回地址                     DERA
 165 0x502             调试数据保存                         DSAVE
 166 ================= ==================================== ==========
 167
 168 ERA，TLBRERA，MERRERA和DERA有时也分别称为EPC，TLBREPC，MERREPC和DEPC。
 169
 170 基础指令集
 171 ==========
 172
 173 指令格式
 174 --------
 175
 176 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）:
 177
 178 =========== ==========================
 179 格式名称    指令构成
 180 =========== ==========================
 181 2R          Opcode + Rj + Rd
 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 =========== ==========================
 191
 192 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
 193 4R-type格式特有的附加操作数（寄存器）。I8/I12/I16/I21/I26分别是8位/12位/16位/
 194 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
 195 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。
 196
 197 指令列表
 198 --------
 199
 200 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
 201 :ref:`参考文献 <loongarch-references-zh_CN>` 中的文档。
 202
 203 1. 算术运算指令::
 204
 205     ADD.W SUB.W ADDI.W ADD.D SUB.D ADDI.D
 206     SLT SLTU SLTI SLTUI
 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
 212
 213 2. 移位运算指令::
 214
 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
 217
 218 3. 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.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
 223     MASKEQZ MASKNEZ
 224
 225 4. 分支转移指令::
 226
 227     BEQ BNE BLT BGE BLTU BGEU BEQZ BNEZ B BL JIRL
 228
 229 5. 访存读写指令::
 230
 231     LD.B LD.BU LD.H LD.HU LD.W LD.WU LD.D ST.B ST.H ST.W ST.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
 234     PRELD PRELDX
 235
 236 6. 原子操作指令::
 237
 238     LL.W SC.W LL.D SC.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
 241
 242 7. 栅障指令::
 243
 244     IBAR DBAR
 245
 246 8. 特殊指令::
 247
 248     SYSCALL BREAK CPUCFG NOP IDLE ERTN(ERET) DBCL(DBGCALL) RDTIMEL.W RDTIMEH.W RDTIME.D
 249     ASRTLE.D ASRTGT.D
 250
 251 9. 特权指令::
 252
 253     CSRRD CSRWR CSRXCHG
 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
 256
 257 虚拟内存
 258 ========
 259
 260 LoongArch可以使用直接映射虚拟内存和分页映射虚拟内存。
 261
 262 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）
 263 之间有简单的映射关系::
 264
 265  VA = PA + 固定偏移
 266
 267 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
 268 表中。LoongArch的TLB包括一个全相联的MTLB（Multiple Page Size TLB，多样页大小TLB）
 269 和一个组相联的STLB（Single Page Size TLB，单一页大小TLB）。
 270
 271 缺省状态下，LA32的整个虚拟地址空间配置如下：
 272
 273 ============ =========================== ===========================
 274 区段名       地址范围                    属性
 275 ============ =========================== ===========================
 276 ``UVRANGE``  ``0x00000000 - 0x7FFFFFFF`` 分页映射, 可缓存, PLV0~3
 277 ``KPRANGE0`` ``0x80000000 - 0x9FFFFFFF`` 直接映射, 非缓存, PLV0
 278 ``KPRANGE1`` ``0xA0000000 - 0xBFFFFFFF`` 直接映射, 可缓存, PLV0
 279 ``KVRANGE``  ``0xC0000000 - 0xFFFFFFFF`` 分页映射, 可缓存, PLV0
 280 ============ =========================== ===========================
 281
 282 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
 283 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
 284 是0x80001000，而其可缓存直接映射虚拟地址是0xA0001000。
 285
 286 缺省状态下，LA64的整个虚拟地址空间配置如下：
 287
 288 ============ ====================== ==================================
 289 区段名       地址范围               属性
 290 ============ ====================== ==================================
 291 ``XUVRANGE`` ``0x0000000000000000 - 分页映射, 可缓存, PLV0~3
 292              0x3FFFFFFFFFFFFFFF``
 293 ``XSPRANGE`` ``0x4000000000000000 - 直接映射, 可缓存 / 非缓存, PLV0
 294              0x7FFFFFFFFFFFFFFF``
 295 ``XKPRANGE`` ``0x8000000000000000 - 直接映射, 可缓存 / 非缓存, PLV0
 296              0xBFFFFFFFFFFFFFFF``
 297 ``XKVRANGE`` ``0xC000000000000000 - 分页映射, 可缓存, PLV0
 298              0xFFFFFFFFFFFFFFFF``
 299 ============ ====================== ==================================
 300
 301 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
 302 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
 303 非缓存，1表示一致可缓存，2表示弱序非缓存）。
 304
 305 目前，我们仅用XKPRANGE来进行直接映射，XSPRANGE保留给以后用。
 306
 307 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
 308 （在XKPRANGE中）是0x80000000_00001000，其一致可缓存直接映射虚拟地址（在XKPRANGE中）
 309 是0x90000000_00001000，而其弱序非缓存直接映射虚拟地址（在XKPRANGE中）是0xA0000000_
 310 00001000。
 311
 312 Loongson与LoongArch的关系
 313 =========================
 314
 315 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
 316 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，
 317 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
 318 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
 319 为例：龙芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000都是兼容MIPS的，而龙芯3A5000（以及将
 320 来的型号）都是基于LoongArch的。
 321
 322 .. _loongarch-references-zh_CN:
 323
 324 参考文献
 325 ========
 326
 327 Loongson官方网站（龙芯中科技术股份有限公司）：
 328
 329   http://www.loongson.cn/
 330
 331 Loongson与LoongArch的开发者网站（软件与文档资源）：
 332
 333   http://www.loongnix.cn/
 334
 335   https://github.com/loongson/
 336
 337   https://loongson.github.io/LoongArch-Documentation/
 338
 339 LoongArch指令集架构的文档：
 340
 341   https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.00-CN.pdf （中文版）
 342
 343   https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.00-EN.pdf （英文版）
 344
 345 LoongArch的ELF psABI文档：
 346
 347   https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v1.00-CN.pdf （中文版）
 348
 349   https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v1.00-EN.pdf （英文版）
 350
 351 Loongson与LoongArch的Linux内核源码仓库：
 352
 353   https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/chenhuacai/linux-loongson.git