龙芯架构与Linux内核

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1 . 龙芯新架构 LoongArch与Linux内核陈华才 2023.03

2 . LoongArch 简介目录内核故事未来展望其他 2

3 . LoongArch简介 • 从CISC与RISC谈起 • 中央处理器（CPU）分为CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）和 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）两大类 • CISC的特征是指令集复杂而庞大、指令字不等长、寻址方式复杂、计算指令操作数可以是内存等，典型代表有X86 • RISC的特征是指令集精简而高效、指令字等长、寻址方式简明、计算指令操作数必须是寄存器等，典型代表有ARM、MIPS和Power • CISC和RISC各有优劣，在发展过程中也并非井水不犯河水，而是互相吸收对方的优点。X86在内部早已实现RISC化（所谓微指令），而RISC也引入了SIMD等功能比较强大而复杂的指令（所谓向量化） 3

4 . LoongArch简介 • 龙芯处理器（Loongson）与龙芯指令系统（LoongArch） • LoongISA：基于MIPS指令系统扩展（旧龙芯） LoongISA LoongSIMD • MIPS基础指令 LoongBT • 龙芯扩展指令：LoongEXT … • 向量扩展指令：LoongSIMD LoongEXT • 二进制翻译扩展指令：LoongBT MIPS32/MIPS64 R2/R6 • LoongArch：龙芯自主指令系统（新龙芯） • 龙芯基础指令 LoongArch • 128位向量扩展指令：LSX LVZ LASX LBT LSX • 256位向量扩展指令：LASX … • 虚拟化扩展指令：LVZ LoongBase • 二进制翻译扩展指令：LBT 4

5 . LoongArch简介 • 龙芯处理器三大家族 • 龙芯1号 • 32位单核CPU（小CPU） • MIPS32指令集或LA32指令集 • 主要面向工业控制、数据采集、消费电子等 • 龙芯2号 • 低端64位单核/双核CPU（中CPU） • MIPS64指令集或LA64指令集（龙芯2K500/2K1000/2K2000） • 主要面向工业控制、移动终端、嵌入式计算机等 • 龙芯3号 • 高端64位多核CPU（大CPU） • MIPS64指令集（龙芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000）或LA64指令集 (龙芯3A5000/3C5000/3D5000) • 主要面向电脑（桌面计算机、服务器、高性能计算机）等 5

6 . LoongArch简介 • LoongArch的主要特征 • 典型的RISC：32位定长指令，32个通用寄存器，32个浮点/向量寄存器 • 4个特权级：PLV0~3，其中PLV0最高（内核态），PLV3最低（用户态） • 主要特权资源：控制状态寄存器（CSR） • 地址空间：支持可配置的直接映射和页表映射 • TLB：可变页大小的MTLB+固定页大小的STLB • Cache：一级指令Cache（ICache）、一级数据Cache（DCache）、二级牺牲Cache（VCache）、三级混合 Cache（SCache） Core-0 Core-1 Core-2 Core-3 I-Cache D-Cache I-Cache D-Cache I-Cache D-Cache I-Cache D-Cache V-Cache V-Cache V-Cache V-Cache S-Cache 6

7 . LoongArch简介-通用寄存器寄存器编号寄存器名称寄存器用途 $r0 zero 常数0 $r1 ra 返回地址 $r2 tp TLS（线程局部存储）指针 $r3 sp 栈指针 $r4～$r11 a0～a7 参数寄存器 $r4～$r5 v0～v1 返回值寄存器（复用a0/a1） $r12～$r20 t0～t7 临时寄存器 $r21 x 保留未定义 $r22 fp 帧指针 $r23～$r31 s0～s7 静态寄存器 • 参数寄存器a0/a1与返回值寄存器v0/v1复用 • $r21在用户态未定义，在内核态用于每CPU变量基地址 • 子函数需要自己保存/恢复S系列寄存器，但可以随便使用T系列寄存器 7

8 . LoongArch简介-特权寄存器寄存器编号寄存器名称寄存器功能简介 0x0 CRMD 当前模式信息，包括特权级、中断状态等 0x1 PRMD 异常前模式信息，位域定义类似于CRMD 0x2 EUEN 扩展部件使能，如FPU、LSX、LASX、LBT等 0x4 ECFG 异常配置 0x5 ESTAT 异常状态 0x6 ERA 异常返回地址 0xC EENTRY 异常入口地址 0x10 TLBIDX TLB索引（包含MTLB页大小） 0x11 TLBEHI TLB表项高位内容 0x12、0x13 TLBELO0/1 TLB表项低位内容（双页） 0x18 ASID 地址空间标识符 0x1B PGD 页全局目录（页表根目录）基址 0x1E STLBSIZE STLB页大小 0x20 CPUID CPU核编号 0x41 TCFG 定时器配置 0x42 TVAL 定时器剩余值 0x180~183 DMW0~3 直接映射配置窗口 … … … 8

9 . LoongArch简介 • LoongArch指令格式（共9种） • 2R-type: Opcode + Rj + Rd #OpName Rd, Rj • 3R-type: Opcode + Rk + Rj + Rd #OpName Rd, Rj, Rk • 4R-type: Opcode + Ra + Rk + Rj + Rd #OpName Rd, Rj, Rk, Ra • 2RI8-type: Opcode + I8 + Rj + Rd #OpName Rd, Rj, I8 • 2RI12-type: Opcode + I12 + Rj + Rd #OpName Rd, Rj, I12 • 2RI14-type: Opcode + I14 + Rj + Rd #OpName Rd, Rj, I14 • 2RI16-type: Opcode + I16 + Rj + Rd #OpName Rd, Rj, I16 • 1RI21-type: Opcode + I21L + Rj + I21H #OpName Rj, I21 • I26-type: Opcode + I26L + I26H #OpName I26 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4R-type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/16位/21位/26位的立即数。其中21位和26位立即数在指令字中被分割为高位部分与低位部分，所以格式描述中有I21L/I21H和I26L/I26H这样的表述。 9

10 . LoongArch简介 • 内存管理：概述 • 字节序：只支持小尾端（LittleEndian） • 虚拟地址-物理地址转换规则 • 支持直接映射和分页映射两种方式 • 直接映射虚拟内存通过CSR.DMWn（n=0~3）进行配置，虚拟地址（VA）和物理地址（PA）之间有简单的映射关系： VA = PA + 固定偏移 • 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和页表中。TLB包括一个全相联的MTLB和一个组相联的STLB。 • 页面大小可配置（4KB/16KB/64KB……） • MTLB （Multiple Page Size TLB）的页大小随时可变，由CSR.TLBIDX.PS决定 • STLB （Single Page Size TLB）的页大小启动时可配置（由CSR.STLBSIZE决定），运行时固定不变 10

11 . LoongArch简介 • 内存管理：直接映射 KVRANGE (11) XKVRANGE （11） 0xC0000000 KPRANGE0/1 • MAT：内存访问类型（Cache属性） 0xC000000000000000 (10) 0x80000000 XKPRANGE • MAT=00：强序非缓存（10） 0x40000000 UVRANGE 0x8000000000000000 • MAT=01：一致可缓存（00/01） XSPRANGE （01） • MAT=10：弱序非缓存 0x00000000 0x4000000000000000 • MAT=11：保留未使用左为32位地址空间 XUVRANGE （00）右为64位地址空间 0x0000000000000000 63 62 61 60 59 0 前缀 64位线性地址 MAT 有效虚拟地址VA （10） 11

12 . LoongArch简介 • 内存管理：分页映射 • V：有效位 D：写脏位 • P：存在位 W：可写位 • PLV：特权级 MAT：Cache属性 • RPLV：特权级严格匹配标志 G：全局位 • PN：NUMA的ProtNone标志 SP：特殊页标志 63 62 61 60 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 64位页表条目 RPLV NX NR 页帧号PFN 0 SP PN W P G MAT PLV D V 12

13 . 内核故事 • V5.19： • LoongArch体系结构主体部分于进入上游 • 2万1千行代码，历时20个月，迭代15个版本 • V6.0： • 中断控制器驱动、PCI控制器驱动和VDSO优化进入上游 • V6.1： • EFISTUB启动、Qspinlock、PerfEvents、Kexec/Kdump、BPF JIT等功能进入上游 • V6.2： • FDT启动、挂起（S3，Suspend）、休眠（S4，Hibernation）、Ftrace 等功能进入上游 13

14 . 内核故事 • 中断控制器驱动的故事问题：FDT具有描述irqchip级联的能力，ACPI 没有这种描述能力，而龙芯LoongArch采用的是ACPI规范。 14

15 . 内核故事 • 中断控制器驱动的故事（续） 15

16 . 内核故事 • 中断控制器驱动的故事（续） 16

17 . 内核故事 • EFISTUB启动方式的故事 • BootLoader（EFISTUB/Grub）传递给内核的信息：memmap、initrd、cmdline …… • 第一版：a0 = argc，a1 = argv，a2 = boot_params • boot_params包含了memmap和initrd等信息 • EFISTUB实现复杂，类似于X86 • 第二版：a0 = efi_boot，a1 = fdt_pointer • fdt_pointer包含了memmap、initrd和cmdline等信息 • 采用通用EFISTUB实现，同ARM64/RISC-V，但重度依赖FDT • 第三版：a0 = efi_boot，a1 = cmdline，a2 = system_table • EFI维护者亲自实现，LoongArch领先于ARM64/RISC-V 17

18 . 内核故事 • 采用通用实现，避免盲目创新 • 集众人之智，特别先进、特别整洁，特别优雅 • 通用系统调用表（unistd.h） • include/uapi/asm-generic/unistd.h • 采用架构：ARM64、OpenRISC、RISC-V、C-SKY、LoongArch • 通用异常中断入口（generic entry） • kernel/entry/common.c • 采用架构：X86、S390、LoongArch • 通用自旋锁 • classic spinlock → ticket spinlock → qspinlock • LoongArch现在采用通用ticket spinlock、以后将采用通用qspinlock 18

19 .未来展望 • 基本功能 • 重定位内核（PIE）、向量、虚拟化、二进制翻译 …… • 电源管理 • 动态调频（CPUFreq，DVFS）、温度调控…… • 调测工具 • Kprobe/Uprobe、WatchPoint、kgdb …… • 更多处理器支持 • 目前仅支持大CPU：龙芯3A5000/3C5000/3D5000，使用ACPI • 未来要支持小CPU：龙芯1X/2K500/2K1000/2K2000，使用FDT 19

20 . LoongArch开源生态 • UEFI规范：2.10版本开始支持LoongArch • ACPI规范：6.5版本开始支持LoongArch • Automake：1.18版本开始支持LoongArch • Cmake：3.20开始支持LoongArch • Meson：0.57开始支持LoongArch • Binutils：2.38版本开始支持LoongArch • GCC：12版本开始支持LoongArch • Linux：5.19版本开始支持LoongArch • Glibc：2.36版本开始支持LoongArch • Systemd：250版本开始支持LoongArch • FFmpeg：5.0版本开始支持LoongArch • QEMU：7.1版本开始支持LoongArch • GoLang：1.19开始支持LoongArch • LLVM：15版本开始支持LoongArch • .NET：7.0版本将支持LoongArch • OpenJDK/Rust/Musl……：正在努力进行上游工作 20

21 . 鸣谢 ✓ 李雪峰 <lixuefeng@loongson.cn> ✓ 龙芯中科内核组组长，龙芯Linux内核代码的管理者和领头人 ✓ 毛碧波 <maobibo@loongson.cn> ✓ 吕建民 <lvjianmin@loongson.cn> ✓ 杨铁柱 <yangtiezhu@loongson.cn> ✓ 唐友灵 <tangyouling@loongson.cn> ✓ 何金阳 <hejinyang@loongson.cn> ✓ 张卿 <zhangqing@loongson.cn> ✓ …… ✓ 龙芯中科主要社区内核开发者（邮件列表里面常见）以及在幕后默默奉献的无名英雄。 ✓ 王雪瑞 <kernel@xen0n.name> ✓ 杨嘉勋 <jiaxun.yang@flygoat.com> ✓ 席若尧 <xry111@xry111.site> ✓ 龙芯社区主要贡献者，龙芯架构常态Reviewer，开发与沟通能力一流，在代码贡献之外起到了龙芯公司与社区及各内核子系统Maintainer连接的纽带作用。 21

22 .我和《用芯探核》 ✓ 我是谁？ ✓ 陈华才，龙芯中科内核开发者，Linux内核中 MIPS/龙芯3号、KVM/MIPS以及龙芯新架构（LoongArch）的Maintainer ✓ 《用芯探核》是什么书？ ✓ 立足龙芯而包罗万象 ✓ 第一本基于龙芯处理器的内核书籍 ✓ 第二本基于Linux-5.x版本的内核书籍 ✓ 创造性地使用“树形视图”和“链式视图” 来解析源代码的 22

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