龍芯LoongArch自主指令集
3A5000基于龍芯自主定義的LoongArch，自3A5000之后，龍芯就與MIPS徹底分道揚(yáng)鑣，沒有任何關(guān)系了。這里著重介紹一下LoongArch。
過(guò)去這些年，國(guó)內(nèi)CPU公司引進(jìn)過(guò)X86、ARM、Power、SPARC等指令集，但始終沒能建立起自己的Wintel，原因就在于始終保持著一種跟生態(tài)的心態(tài)，而且在軟件上的投入嚴(yán)重不足。如今，國(guó)際大環(huán)境的變化使購(gòu)買國(guó)外指令集授權(quán)充滿了不確定因素，在這種情況下，開發(fā)自主指令集是規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的良策。
當(dāng)然，自主定義指令集存在一個(gè)問題，那就是軟件生態(tài)壓力巨大，而龍芯的LoongArch則采用二進(jìn)制翻譯的方式實(shí)現(xiàn)兼容。LoongArch的指令系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，以先進(jìn)性、擴(kuò)展性、兼容性為目標(biāo)，融合了X86、ARM、MIPS、RISC-V指令系統(tǒng)的主要功能，定義專門產(chǎn)生EFLAG結(jié)果的運(yùn)算類指令加速X86、ARM架構(gòu)下獨(dú)有的EFLAG值模擬，設(shè)計(jì)浮點(diǎn)寄存器的棧訪問模式加速X87浮點(diǎn)協(xié)處理器指令的模擬，實(shí)現(xiàn)RISC-V中豐富的同步指令。
LoongArch 是全新的指令集，包含基礎(chǔ)指令 337 條、虛擬機(jī)擴(kuò)展 10 條、二進(jìn)制翻譯擴(kuò)展 176 條、128 位向量擴(kuò)展 1024 條、256 位向量擴(kuò)展 1018 條，共計(jì) 2565 條原生指令。
LoongArch 的＂指令格式＂是 MIPS 的超集，仍為RISC且兼容MIPS指令格式，但二進(jìn)制不同。相對(duì)于MIPS，摒棄了部分不適合現(xiàn)代CPU的指令，又做了大量改進(jìn)和擴(kuò)展。重新設(shè)計(jì)的指令格式可以包含更多的指令槽，有利于以后的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
MIPS只有3種指令格式，LoongArch重新設(shè)計(jì)了指令格式 ，使可用的格式多達(dá)10種 ，其包含3種無(wú)立即數(shù)格式和7種有立即數(shù)格式。例如單條指令支持的立即數(shù)從MIPS的最大16位擴(kuò)展到最大24位，分支跳轉(zhuǎn)偏移也從64K擴(kuò)展到1M字節(jié)，以及尋址空間從固定分段改變?yōu)閱我黄矫娴龋加行p少了編譯結(jié)果的目標(biāo)指令條數(shù)和訪存次數(shù)，提高了效能。
LoongArch 仍為RISC指令集，32位定長(zhǎng)指令、32個(gè)通用寄存器、32個(gè)浮點(diǎn)/向量寄存器。取消轉(zhuǎn)移指令延遲槽，直接跳轉(zhuǎn)指令的目標(biāo)地址相對(duì)PC計(jì)算，增加相對(duì)轉(zhuǎn)移偏移量。新增將PC作為源操作數(shù)的運(yùn)算指令。
龍芯還提供基于 LoongArch 的 Linux 操作系統(tǒng)，在此操作系統(tǒng)中除了運(yùn)行原生的 LoongArch 程序，還能通過(guò)翻譯的方式兼容 MIPS、x86、ARM、RISC-V 這幾種指令集的 Linux 程序。
使用LoongArch翻譯任何指令時(shí)大致流程都相同，只是隨著指令系統(tǒng)的差異而在效率上也會(huì)有所差異。其中MIPS盡管二進(jìn)制編碼與LoongArch不同，但大部分LoongArch基礎(chǔ)指令仍與MIPS相似，因此翻譯開銷極小。對(duì)ARM和RISC-V的翻譯效率也比x86更高。龍芯還會(huì)提供以LoongArch為目標(biāo)架構(gòu)的編譯器，已知編譯器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)把 MIPS 匯編代碼編譯為 LoongArch 二進(jìn)制，內(nèi)嵌MIPS匯編的C/C++源代碼甚至不用修改就能編譯。
另外，官方PPT里還有幾個(gè)亮點(diǎn)：
一是已完成龍芯 GS132、GS264、GS464 三大系列 IP 核指令系統(tǒng)修改。
二是基礎(chǔ)軟件 OS 方面，已經(jīng)完成 BIOS、編譯器的內(nèi)核改造，可以在 FPGA 平臺(tái)上運(yùn)行 SPEC CPU 等復(fù)雜應(yīng)用；正在開展完整操作系統(tǒng)編譯工作、開展 Java、JavaScript、.NET 虛擬機(jī)遷移工作。
三是二進(jìn)制翻譯系統(tǒng) LAT 已基本完成開發(fā)，開始調(diào)試優(yōu)化。MIPS 和 X86 用戶態(tài)二進(jìn)制翻譯持續(xù)改進(jìn)中；X86 系統(tǒng)二進(jìn)制翻譯已經(jīng)基本跑通，最難的地址翻譯已經(jīng)調(diào)通。
四是權(quán)威第三方機(jī)構(gòu)對(duì) LoongArch指令系統(tǒng)進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)分析，2020年底完成國(guó)內(nèi)部分，2021年完成國(guó)際部分。
五是龍芯希望組建自主指令系統(tǒng)聯(lián)盟。龍芯將把 LoongArch 免費(fèi)開放，并開放相當(dāng)于Cortex-A53 以下性能處理器 IP 核，條件是聯(lián)盟內(nèi)企業(yè)彼此間不能發(fā)生指令系統(tǒng)訴訟，期望最終能夠形成對(duì)第三方的 CPU 防御聯(lián)盟。同時(shí)，還將嘗試在高校推廣百條指令左右的 Loongarch 小系統(tǒng)。
很顯然，龍芯是希望短期兼容MIPS遺留生態(tài)過(guò)度，建設(shè)自己的軟件生態(tài)，建立中國(guó)版的Wintel。龍芯的目標(biāo)宏偉，實(shí)現(xiàn)難度很大，但如果做成了，對(duì)產(chǎn)業(yè)安全和國(guó)家安全的積極作用是異常巨大。
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