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前言

最近龍芯中科宣布，龍芯2K0500開發板已與OpenHarmony（開源鴻蒙系統）完成了適配驗證，LoongArch平臺實現初步支持OpenHarmony。本系列文章將對loongarch架構進行介紹。

龍芯架構LoongArch是龍芯中科公司自主設計的一種精簡指令集計算機（RISC）風格的指令系統架構。其分為32位和64位兩個版本，分別稱為LA32架構和LA64架構。本文主要對其中的基礎部分進行介紹。本文中的主要信息來源于龍芯目前公開的資料。

1、指令編碼格式

下圖為龍芯架構的典型指令編碼格式，大部分指令格式都符合這些格式：

上圖中解釋：

• 指令長度固定為32位，無論是LA32還是LA64
• 上圖中共有2R-type、3R-type、2RI8-type等9種編碼格式，其中R表示寄存器，I表示立即數。如2RI8-type表示指令格式中除了操作碼opcode外，還指定了2個寄存器和一個8位的立即數。

2、指令匯編格式

loongarch的指令匯編格式主要包括指令名和操作數這兩部分，其中指令名格式比較特別。loongarch中指令名可以有前綴和后綴字母，前綴字母有：

• V：128位向量指令
• XV：256位向量指令
• F：非向量浮點指令
• VF：128位向量浮點指令
• XVF：256位向量浮點指令

后綴字母有：

• 對于整數類型指令：.B、.H、.W、.D、.BU、.HU、.WU、.DU分別表示有符號字節、有符號半字、有符號字、有符號雙字、無符號字節、無符號半字、無符號字、無符號雙字。其中雙字僅存在于LA64
• 對于浮點類型指令：.H、.S、.D、.W、.L、.WU、.LU分別表示半精度、單精度、雙精度的浮點數，以及有符號字、有符號雙字、無符號字、無符號雙字的整數。其中雙字僅存在于LA64

舉例如下：

• add.w    rd, rj, rk： 表示寄存器rj和rk相加，結果寫入rd。無前綴，后綴.w表示操作數據的位數為32位。
• fadd.s fd, fj, fk：表示浮點寄存器fj和fk相加，結果寫入fd。前綴為f，表示為非向量浮點運算指令。后綴為.s，表示操作數據為單精度浮點數。
• mulw.d.wu rd, rj, rk：表示寄存器rj和rk相乘，結果寫入rd。無前綴。該指令有兩個后綴，.d表示rd中結果為雙精度浮點數，.wu表示rj和rk中數據為無符號32位整數。

3、基礎指令介紹

（1）整數運算類

loongarch中有32個通用寄存器，LA32和LA64中分別為32位和64位長度。loongarch中可用這些寄存器執行整數類的指令。

loongarch支持基本的整數運算，有：

• 加減乘除的add、sub、mul、div等指令。如addi.w rd, rj, si12表示將寄存器rj和有符號立即數si12進行32位加法運算，結果寫入rd。
• 邏輯移位、算術移位的sll、srl、sra、rotr等指令。如srl.w rd, rj, rk表示將寄存器rj作邏輯右移rk位，移位結果符號擴展寫入寄存器rd。
• 與或非等操作的and、or、nor、xor、andi、ori等指令。如and rd, rj, rk表示將寄存器rj和rk作位與運算，結果寫入rd。
• slt、sltu、slti、sltui指令用于小于比較。

• 如slt rd, rj, rk表示將寄存器rj和rk視為有符號整數作小于比較，將結果寫入rd。
• 如sltu rd, rj, rk表示將寄存器rj和rk視為無符號整數作小于比較，將結果寫入rd

• lu12i.w、lu32i.d等指令用于立即數連接。如lu12i.w rd, si20表示將20位立即數si20最低位連接上12位的0，然后符合擴展后寫入rd。
• 一些位操作指令，有clo、clz、ctz等指令、用于符號擴展的ext指令等。

• 如ext.w.b rd, rj表示將rj中低8位數據進行符號擴展后寫入rd。
• 如clz.w rd, rj表示從第31位開始計數寄存器rj中連續0的個數，結果寫入rd。

（2）浮點運算類

loongarch中有32個浮點寄存器，在LA32和LA64中均為64位。loongarch中可用這些寄存器進行浮點類指令。

loongarch中支持基本的浮點運算，有：

• 加減乘除相關的fadd、fsub、fmul、fdiv、fmadd、fnmsub等指令。

• 如fadd.s fd, fj, fk表示將浮點寄存器fj和fk進行單精度加法運算，結果寫入fd。
• 如fmsub.d fd, fj, fk, fa表示將浮點寄存器fj和fk進行雙精度乘法運算，然后再與fa進行雙精度減法運算，結果寫入fd。

• 浮點比較運算相關的fcmp.cond指令。其中.cond可以為多種比較含義的助記符。如fcmp.ceq.s cc, fj, fk 表示進行相等比較。
• 浮點轉換類的fcvt、ffint、frint等指令。

• 如fcvt.s.d fd, fj表示將浮點寄存器fj中的雙精度浮點數轉換為單精度，并寫入fd。
• 如ftintrne.w.s fd, fj表示將浮點寄存器fj中的單精度浮點數轉換為32位整數寫入到fd，并采用“向最近的偶數舍入”。

• 浮點搬運類型指令，包括fmov、fsel、movgr2fr等指令。

• 如fsel fd, fj, fk, ca表示如果條件標志寄存器ca的值為0，則將浮點寄存器fj寫入fd，否則將fk寫入fd。
• 如movgr2fr.w fd, rj表示將rj的低32位寫入浮點寄存器fj的低32位。

• 一些特殊浮點運算指令，有取最小/最大值運算的fmax、fmin、fmaxa、fmina指令、取絕對值的fabs指令、取反的fneg指令、開方和倒數運算相關的fsqrt和frecip等指令，等等。如fmaxa.s fd, fj, fk表示fd中寫入浮點寄存器fj、fk中絕對值的較大者。

（3）訪存指令

和一般RISC一樣，loongarch中通過load/store類指令進行訪存，有：

• ld/st指令。

• 如ld.b rd, rj, si12表示將rj+有符號立即數si12作為虛擬地址，從該地址取出一個字節數據寫入rd。
• 如st.w rd, rj, si12表示將rj+有符號立即數si12作為虛擬地址，將rd低32位數據寫入該地址。

• ldx/stx指令。相比ld/st指令，區別是虛擬地址表示不同：如ldx.b rd, rj, rk表示將rj+rk作為虛擬地址，從該地址取出一個字節數據寫入rd。
• ldptr/stptr指令。相比ld/st指令，區別是立即數表示不同，即立即數的最大位數不同以及其表示的偏移以4字節對齊。如stptr.w rd, rj, si14表示將rj+有符號立即數si14*4作為虛擬地址，從該地址取出32位數據寫入rd。
• ldgt/stgt、ldle/stle等邊界檢查訪存指令。如ldgt.b rd, rj, rk表示將rj作為虛擬地址，如果rj大于rk，則從該地址中取出一個字節數據到rd。否則觸發異常。
• 浮點訪存指令，包括fld/fst、fldx/fstx、fldgt/fstgt指令等。與前面指令含義基本一致，只不過是用浮點寄存器作為目標寄存器。如fld.s fd, rj, si12表示將rj+有符號立即數si12作為虛擬地址，從該地址取出一個單精度浮點數數據寫入fd。

（4）轉移指令

下面對loongarch中的轉移指令進行介紹：

• 無條件跳轉指令b。如b offs26表示無條件跳轉到地址pc+offs26*4，其中offs26為26位的立即數偏移量，且4字節對齊。
• 無條件跳轉指令jirl。和b的區別是，會將pc+4的值進行保存。如jirl rd, rj, offs16表示無條件跳轉到地址pc+offs16*4，然后將pc+4寫入rd。其中offs16為16位的立即數偏移量，且4字節對齊。
• 無條件跳轉指令bl。和jirl的區別是，pc+4的值固定保存在r1中。r1別名ra，一般用作保存返回地址。如bl offs26表示無條件跳轉到地址pc+offs26*4，然后將pc+4寫入r1。其中offs26為26位的立即數偏移量，且4字節對齊。
• 條件轉移指令beq、bne、blt等。如beq rj, rd, offs16表示當rj和rd相等時才跳轉到地址pc+offs16*4。

（5）一些補充的基礎指令

在閱讀linux上loongarch架構相關代碼的時候，遇到了一些loongarch資料中沒有寫出來的指令。本小節中將這些指令列出，其中指令的含義是根據上下文推測出來的。

• move：如move rd, rj將rj中值復制到rd。

• li：如li.w rd, 1將rd中值置為1。
• la：如la.abs rd, label將label對應地址賦值給rd。
• jr：如jr ra跳轉到ra中地址，可能會有一些額外的操作。

4、匯編案例說明

上圖中描述了loongarch中寄存器的使用約定，與其他的架構其實大同小異。有棧指針寄存器，有通用和浮點的傳參寄存器，有返回地址寄存器等。下面結合代碼進行說明。

以下為一段c語言代碼：

...
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);
}

對應loongarch匯編如下：

normal:
    // 分配棧幀
    addi.d    $sp, $sp, -32      
    // 傳參9，傳參寄存器不夠，儲存在棧上
    addi.w    $t0, $zero, 9
    stptr.d   $t0, $sp, 0   
    // 傳參8-1，使用傳出寄存器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
    
    // 將返回地址保存到棧上
    st.d      $ra, $sp, 24
    
    // 調用nested函數
    bl        %plt(nested)
    
    // 恢復返回地址到ra
    ld.d      $ra, $sp, 24

    // 恢復棧幀
    addi.d    $sp, $sp, 32
    
    // 函數返回
    jr        $ra

loongarch的棧幀可用下圖表示：

總結

本文介紹了loongarch架構中的一些基礎指令，如整數和浮點運算指令、轉移指令、訪存指令，并結合案例對loongarch匯編語言的寫法進行了說明。下一篇文章將會介紹loongarch中的原子指令、柵障指令，及其用法。

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