龙芯LoongArch自主指令集

智能计算芯世界 2021-04-15 00:00

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3A5000基于龙芯自主定义的LoongArch，自3A5000之后，龙芯就与MIPS彻底分道扬镳，没有任何关系了。这里着重介绍一下LoongArch。

下载链接：龙芯指令系统融合技术

过去这些年，国内CPU公司引进过X86、ARM、Power、SPARC等指令集，但始终没能建立起自己的Wintel，原因就在于始终保持着一种跟生态的心态，而且在软件上的投入严重不足。如今，国际大环境的变化使购买国外指令集授权充满了不确定因素，在这种情况下，开发自主指令集是规避风险的良策。

当然，自主定义指令集存在一个问题，那就是软件生态压力巨大，而龙芯的LoongArch则采用二进制翻译的方式实现兼容。LoongArch的指令系统在设计时，以先进性、扩展性、兼容性为目标，融合了X86、ARM、MIPS、RISC-V指令系统的主要功能，定义专门产生EFLAG结果的运算类指令加速X86、ARM架构下独有的EFLAG值模拟，设计浮点寄存器的栈访问模式加速X87浮点协处理器指令的模拟，实现RISC-V中丰富的同步指令。

LoongArch 是全新的指令集，包含基础指令 337 条、虚拟机扩展 10 条、二进制翻译扩展 176 条、128 位向量扩展 1024 条、256 位向量扩展 1018 条，共计 2565 条原生指令。

LoongArch 的＂指令格式＂是 MIPS 的超集，仍为RISC且兼容MIPS指令格式，但二进制不同。相对于MIPS，摒弃了部分不适合现代CPU的指令，又做了大量改进和扩展。重新设计的指令格式可以包含更多的指令槽，有利于以后的长远发展。

MIPS只有3种指令格式，LoongArch重新设计了指令格式，使可用的格式多达10种，其包含3种无立即数格式和7种有立即数格式。例如单条指令支持的立即数从MIPS的最大16位扩展到最大24位，分支跳转偏移也从64K扩展到1M字节，以及寻址空间从固定分段改变为单一平面等，都有效减少了编译结果的目标指令条数和访存次数，提高了效能。

LoongArch 仍为RISC指令集，32位定长指令、32个通用寄存器、32个浮点/向量寄存器。取消转移指令延迟槽，直接跳转指令的目标地址相对PC计算，增加相对转移偏移量。新增将PC作为源操作数的运算指令。

龙芯还提供基于 LoongArch 的 Linux 操作系统，在此操作系统中除了运行原生的 LoongArch 程序，还能通过翻译的方式兼容 MIPS、x86、ARM、RISC-V 这几种指令集的 Linux 程序。

使用LoongArch翻译任何指令时大致流程都相同，只是随着指令系统的差异而在效率上也会有所差异。其中MIPS尽管二进制编码与LoongArch不同，但大部分LoongArch基础指令仍与MIPS相似，因此翻译开销极小。对ARM和RISC-V的翻译效率也比x86更高。龙芯还会提供以LoongArch为目标架构的编译器，已知编译器已经实现把 MIPS 汇编代码编译为 LoongArch 二进制，内嵌MIPS汇编的C/C++源代码甚至不用修改就能编译。