#loongarch架构介绍#[一]基础指令原创精华

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发布于 2022-12-13 14:55

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作者：蒋卫峰李涛

前言

最近龙芯中科宣布，龙芯2K0500开发板已与OpenHarmony完成了适配验证，LoongArch平台实现初步支持OpenHarmony。本系列文章将对loongarch架构进行介绍。

龙芯架构LoongArch是龙芯中科公司自主设计的一种精简指令集计算机（RISC）风格的指令系统架构。其分为32位和64位两个版本，分别称为LA32架构和LA64架构。本文主要对其中的基础部分进行介绍。本文中的主要信息来源于龙芯目前公开的资料。

1. 指令编码格式

下图为龙芯架构的典型指令编码格式，大部分指令格式都符合这些格式：

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上图中解释：

指令长度固定为32位，无论是LA32还是LA64
上图中共有2R-type、3R-type、2RI8-type等9种编码格式，其中R表示寄存器，I表示立即数。如2RI8-type表示指令格式中除了操作码opcode外，还指定了2个寄存器和一个8位的立即数。

2. 指令汇编格式

loongarch的指令汇编格式主要包括指令名和操作数这两部分，其中指令名格式比较特别。loongarch中指令名可以有前缀和后缀字母，前缀字母有：

V：128位向量指令
XV：256位向量指令
F：非向量浮点指令
VF：128位向量浮点指令
XVF：256位向量浮点指令

后缀字母有：

对于整数类型指令：.B、.H、.W、.D、.BU、.HU、.WU、.DU分别表示有符号字节、有符号半字、有符号字、有符号双字、无符号字节、无符号半字、无符号字、无符号双字。其中双字仅存在于LA64
对于浮点类型指令：.H、.S、.D、.W、.L、.WU、.LU分别表示半精度、单精度、双精度的浮点数，以及有符号字、有符号双字、无符号字、无符号双字的整数。其中双字仅存在于LA64

举例如下：

add.w rd, rj, rk：表示寄存器rj和rk相加，结果写入rd。无前缀，后缀.w表示操作数据的位数为32位。
fadd.s fd, fj, fk：表示浮点寄存器fj和fk相加，结果写入fd。前缀为f，表示为非向量浮点运算指令。后缀为.s，表示操作数据为单精度浮点数。
mulw.d.wu rd, rj, rk：表示寄存器rj和rk相乘，结果写入rd。无前缀。该指令有两个后缀，.d表示rd中结果为双精度浮点数，.wu表示rj和rk中数据为无符号32位整数。

3. 基础指令介绍

3.1 整数运算类

loongarch中有32个通用寄存器，LA32和LA64中分别为32位和64位长度。loongarch中可用这些寄存器执行整数类的指令。

loongarch支持基本的整数运算，有：

加减乘除的add、sub、mul、div等指令。

如addi.w rd, rj, si12表示将寄存器rj和有符号立即数si12进行32位加法运算，结果写入rd。
逻辑移位、算术移位的sll、srl、sra、rotr等指令。

如srl.w rd, rj, rk表示将寄存器rj作逻辑右移rk位，移位结果符号扩展写入寄存器rd。
与或非等操作的and、or、nor、xor、andi、ori等指令。

如and rd, rj, rk表示将寄存器rj和rk作位与运算，结果写入rd。
slt、sltu、slti、sltui指令用于小于比较。
- 如slt rd, rj, rk表示将寄存器rj和rk视为有符号整数作小于比较，将结果写入rd。
- 如sltu rd, rj, rk表示将寄存器rj和rk视为无符号整数作小于比较，将结果写入rd
lu12i.w、lu32i.d等指令用于立即数连接。

如lu12i.w rd, si20表示将20位立即数si20最低位连接上12位的0，然后符合扩展后写入rd。
一些位操作指令，有clo、clz、ctz等指令、用于符号扩展的ext指令等。
- 如ext.w.b rd, rj表示将rj中低8位数据进行符号扩展后写入rd。
- 如clz.w rd, rj表示从第31位开始计数寄存器rj中连续0的个数，结果写入rd。

3.2 浮点运算类

loongarch中有32个浮点寄存器，在LA32和LA64中均为64位。loongarch中可用这些寄存器进行浮点类指令。

loongarch中支持基本的浮点运算，有：

加减乘除相关的fadd、fsub、fmul、fdiv、fmadd、fnmsub等指令。
- 如fadd.s fd, fj, fk表示将浮点寄存器fj和fk进行单精度加法运算，结果写入fd。
- 如fmsub.d fd, fj, fk, fa表示将浮点寄存器fj和fk进行双精度乘法运算，然后再与fa进行双精度减法运算，结果写入fd。
浮点比较运算相关的fcmp.cond指令。其中.cond可以为多种比较含义的助记符。

如fcmp.ceq.s cc, fj, fk 表示进行相等比较。
浮点转换类的fcvt、ffint、frint等指令。
- 如fcvt.s.d fd, fj表示将浮点寄存器fj中的双精度浮点数转换为单精度，并写入fd。
- 如ftintrne.w.s fd, fj表示将浮点寄存器fj中的单精度浮点数转换为32位整数写入到fd，并采用“向最近的偶数舍入”。
浮点搬运类型指令，包括fmov、fsel、movgr2fr等指令。
- 如fsel fd, fj, fk, ca表示如果条件标志寄存器ca的值为0，则将浮点寄存器fj写入fd，否则将fk写入fd。
- 如movgr2fr.w fd, rj表示将rj的低32位写入浮点寄存器fj的低32位。
一些特殊浮点运算指令，有取最小/最大值运算的fmax、fmin、fmaxa、fmina指令、取绝对值的fabs指令、取反的fneg指令、开方和倒数运算相关的fsqrt和frecip等指令，等等。

如fmaxa.s fd, fj, fk表示fd中写入浮点寄存器fj、fk中绝对值的较大者。

3.3 访存指令

和一般RISC一样，loongarch中通过load/store类指令进行访存，有：

ld/st指令。
- 如ld.b rd, rj, si12表示将rj+有符号立即数si12作为虚拟地址，从该地址取出一个字节数据写入rd。
- 如st.w rd, rj, si12表示将rj+有符号立即数si12作为虚拟地址，将rd低32位数据写入该地址。
ldx/stx指令。相比ld/st指令，区别是虚拟地址表示不同：

如ldx.b rd, rj, rk表示将rj+rk作为虚拟地址，从该地址取出一个字节数据写入rd。
ldptr/stptr指令。相比ld/st指令，区别是立即数表示不同，即立即数的最大位数不同以及其表示的偏移以4字节对齐。

如stptr.w rd, rj, si14表示将rj+有符号立即数si14*4作为虚拟地址，从该地址取出32位数据写入rd。
ldgt/stgt、ldle/stle等边界检查访存指令。

如ldgt.b rd, rj, rk表示将rj作为虚拟地址，如果rj大于rk，则从该地址中取出一个字节数据到rd。否则触发异常。
浮点访存指令，包括fld/fst、fldx/fstx、fldgt/fstgt指令等。与前面指令含义基本一致，只不过是用浮点寄存器作为目标寄存器。

如fld.s fd, rj, si12表示将rj+有符号立即数si12作为虚拟地址，从该地址取出一个单精度浮点数数据写入fd。

3.4 转移指令

下面对loongarch中的转移指令进行介绍：

无条件跳转指令b。

如b offs26表示无条件跳转到地址pc+offs26*4，其中offs26为26位的立即数偏移量，且4字节对齐。
无条件跳转指令jirl。和b的区别是，会将pc+4的值进行保存。

如jirl rd, rj, offs16表示无条件跳转到地址pc+offs16*4，然后将pc+4写入rd。其中offs16为16位的立即数偏移量，且4字节对齐。
无条件跳转指令bl。和jirl的区别是，pc+4的值固定保存在r1中。r1别名ra，一般用作保存返回地址。

如bl offs26表示无条件跳转到地址pc+offs26*4，然后将pc+4写入r1。其中offs26为26位的立即数偏移量，且4字节对齐。
条件转移指令beq、bne、blt等。

如beq rj, rd, offs16表示当rj和rd相等时才跳转到地址pc+offs16*4。

3.5 一些补充的基础指令

在阅读linux上loongarch架构相关代码的时候，遇到了一些loongarch资料中没有写出来的指令。本小节中将这些指令列出，其中指令的含义是根据上下文推测出来的。

move：如move rd, rj将rj中值复制到rd
li：如li.w rd, 1将rd中值置为1
la：如la.abs rd, label将label对应地址赋值给rd
jr：如jr ra跳转到ra中地址，可能会有一些额外的操作

4. 汇编案例说明

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上图中描述了loongarch中寄存器的使用约定，与其他的架构其实大同小异。有栈指针寄存器，有通用和浮点的传参寄存器，有返回地址寄存器等。下面结合代码进行说明。

以下为一段c语言代码：

...
extern long
nested(long a, long b, long c, long d, 
    long e, long f, long g, long h, long i);

long normal(void) {
    return nested(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9);
}

对应loongarch汇编如下：

normal:
    // 分配栈帧
    addi.d    $sp, $sp, -32   
    
    // 传参9，传参寄存器不够，储存在栈上
    addi.w    $t0, $zero, 9
    stptr.d   $t0, $sp, 0
    
    // 传参8-1，使用传出寄存器a7-a0
    addi.w    $a7, $zero, 8
    addi.w    $a6, $zero, 7
    addi.w    $a5, $zero, 6
    addi.w    $a4, $zero, 5
    addi.w    $a3, $zero, 4
    addi.w    $a2, $zero, 3
    addi.w    $a1, $zero, 2
    addi.w    $a0, $zero, 1
    
    // 将返回地址保存到栈上
    st.d      $ra, $sp, 24
    
    // 调用nested函数
    bl        %plt(nested)
    
    // 恢复返回地址到ra
    ld.d      $ra, $sp, 24

    // 恢复栈帧
    addi.d    $sp, $sp, 32
    
    // 函数返回
    jr        $ra

loongarch的栈帧可用下图表示：

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