陳華才_龍芯架構與Linux內核_16_9.pdf

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1、龍芯新架構龍芯新架構LoongArchLoongArch與與LinuxLinux內核內核陳華才2023.03目錄目錄2LoongArch 簡介內核故事未來展望其他LoongArchLoongArch簡介簡介3 從從CISCCISC與與RISCRISC談起談起中央處理器（CPU）分為CISC（Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機）和RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）兩大類CISC的特征是指令集復雜而龐大、指令字不等長、尋址方式復雜、計算指令操作數可以是內存等，典型代表有X86 RISC的特征

2、是指令集精簡而高效、指令字等長、尋址方式簡明、計算指令操作數必須是寄存器等，典型代表有ARM、MIPS和Power CISC和RISC各有優劣，在發展過程中也并非井水不犯河水，而是互相吸收對方的優點。X86在內部早已實現RISC化（所謂微指令），而RISC也引入了SIMD等功能比較強大而復雜的指令（所謂向量化）LoongArchLoongArch簡介簡介4 龍芯處理器（龍芯處理器（LoongsonLoongson）與龍芯指令系統（）與龍芯指令系統（LoongArchLoongArch）LoongISALoongISA：基于：基于MIPSMIPS指令系統指令系統擴展擴展（舊龍芯）舊龍芯）MIPS

3、基礎指令 龍芯擴展指令：LoongEXT 向量擴展指令：LoongSIMD 二進制翻譯擴展指令：LoongBTLoongArchLoongArch：龍芯自主指令系統（新龍芯）：龍芯自主指令系統（新龍芯）龍芯基礎指令 128位向量擴展指令：LSX 256位向量擴展指令：LASX 虛擬化擴展指令：LVZ 二進制翻譯擴展指令：LBTMIPS32/MIPS64 R2/R6MIPS32/MIPS64 R2/R6LoongISALoongISALoongEXTLoongEXTLoongSIMDLoongSIMDLoongBTLoongBTLoongArchLoongArchLoongBaseLoongBa

4、seLBTLBTLVZLVZLSXLSXLASXLASXLoongArchLoongArch簡介簡介5 龍芯處理器三大家族龍芯處理器三大家族龍芯1號32位單核CPU（小CPU）MIPS32指令集或LA32指令集主要面向工業控制、數據采集、消費電子等龍芯2號低端64位單核/雙核CPU（中CPU）MIPS64指令集或LA64指令集（龍芯2K500/2K1000/2K2000）主要面向工業控制、移動終端、嵌入式計算機等龍芯3號高端64位多核CPU（大CPU）MIPS64指令集（龍芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000）或LA64指令集(龍芯3A5000/3C5000/

5、3D5000)主要面向電腦（桌面計算機、服務器、高性能計算機）等LoongArchLoongArch簡介簡介6 LoongArchLoongArch的主要特征的主要特征典型的RISC：32位定長指令，32個通用寄存器，32個浮點/向量寄存器4個特權級：PLV03，其中PLV0最高（內核態），PLV3最低（用戶態）主要特權資源：控制狀態寄存器（CSR）地址空間：支持可配置的直接映射和頁表映射TLB：可變頁大小的MTLB+固定頁大小的STLBCache：一級指令Cache（ICache）、一級數據Cache（DCache）、二級犧牲Cache（VCache）、三級混合Cache（SCache）Co

6、re-0V-CacheD-CacheI-CacheCore-2V-CacheD-CacheI-CacheCore-1V-CacheD-CacheI-CacheCore-3V-CacheD-CacheI-CacheS-CacheLoongArchLoongArch簡介簡介-通用寄存器通用寄存器7寄存器編號寄存器名稱寄存器用途$r0zero常數0$r1ra返回地址$r2tpTLS（線程局部存儲）指針$r3sp棧指針$r4$r11a0a7參數寄存器$r4$r5v0v1返回值寄存器（復用a0/a1）$r12$r20t0t7臨時寄存器$r21x保留未定義$r22fp幀指針$r23$r31s0s7靜態寄存

7、器參數寄存器參數寄存器a0/a1a0/a1與返回值寄存器與返回值寄存器v0/v1v0/v1復用復用$r21$r21在用戶態未定義，在內核態用于每在用戶態未定義，在內核態用于每CPUCPU變量基地址變量基地址子函數需要自己保存子函數需要自己保存/恢復恢復S S系列寄存器，但可以隨便使用系列寄存器，但可以隨便使用T T系列寄存器系列寄存器LoongArchLoongArch簡介簡介-特權寄存器特權寄存器8寄存器編號寄存器名稱寄存器功能簡介0 x0CRMD當前模式信息，包括特權級、中斷狀態等0 x1PRMD異常前模式信息，位域定義類似于CRMD0 x2EUEN擴展部件使能，如FPU、LSX、LASX

8、、LBT等0 x4ECFG異常配置0 x5ESTAT異常狀態0 x6ERA異常返回地址0 xCEENTRY異常入口地址0 x10TLBIDXTLB索引（包含MTLB頁大?。? x11TLBEHITLB表項高位內容0 x12、0 x13TLBELO0/1TLB表項低位內容（雙頁）0 x18ASID地址空間標識符0 x1BPGD頁全局目錄（頁表根目錄）基址0 x1ESTLBSIZESTLB頁大小0 x20CPUIDCPU核編號0 x41TCFG定時器配置0 x42TVAL定時器剩余值0 x180183DMW03直接映射配置窗口LoongArchLoongArch簡介簡介9 LoongArchLoo

9、ngArch指令格式（共指令格式（共9 9種）種）2R-type:Opcode+Rj+Rd#OpName Rd,Rj3R-type:Opcode+Rk+Rj+Rd#OpName Rd,Rj,Rk4R-type:Opcode+Ra+Rk+Rj+Rd#OpName Rd,Rj,Rk,Ra2RI8-type:Opcode+I8+Rj+Rd#OpName Rd,Rj,I82RI12-type:Opcode+I12+Rj+Rd#OpName Rd,Rj,I122RI14-type:Opcode+I14+Rj+Rd#OpName Rd,Rj,I142RI16-type:Opcode+I16+Rj+Rd#O

10、pName Rd,Rj,I161RI21-type:Opcode+I21L+Rj+I21H#OpName Rj,I21I26-type:Opcode+I26L+I26H#OpName I26Opcode是指令操作碼，是指令操作碼，Rj和和Rk是源操作數（寄存器），是源操作數（寄存器），Rd是目標操作數（寄存器），是目標操作數（寄存器），Ra是是4R-type特有的附特有的附加操作數（寄存器）。加操作數（寄存器）。I8/I12/I14/I16/I21/I26分別是分別是8位位/12位位/14位位/16位位/21位位/26位的立即數。其中位的立即數。其中21位和位和26位位立即數在指令字中被分割為

11、高位部分與低位部分，所以格式描述中有立即數在指令字中被分割為高位部分與低位部分，所以格式描述中有I21L/I21H和和I26L/I26H這樣的表述。這樣的表述。LoongArchLoongArch簡介簡介10 內存管理：概述內存管理：概述 字節序：只支持小尾端（LittleEndian）虛擬地址-物理地址轉換規則 支持直接映射和分頁映射兩種方式 直接映射虛擬內存通過CSR.DMWn（n=03）進行配置，虛擬地址（VA）和物理地址（PA）之間有簡單的映射關系：VA=PA+固定偏移 分頁映射的虛擬地址（VA）和物理地址（PA）有任意的映射關系，這種關系記錄在TLB和頁表中。TLB包括一個全相聯的M

12、TLB和一個組相聯的STLB。頁面大小可配置（4KB/16KB/64KB）MTLB（Multiple Page Size TLB）的頁大小隨時可變，由CSR.TLBIDX.PS決定 STLB（Single Page Size TLB）的頁大小啟動時可配置（由CSR.STLBSIZE決定），運行時固定不變LoongArchLoongArch簡介簡介11 內存管理：直接映射內存管理：直接映射KVRANGE(11)KPRANGE0/1(10)UVRANGE（00/01）0 x000000000 x400000000 x800000000 xC0000000XKVRANGE（11）0 xC000000

13、000000000XKPRANGE（10）XSPRANGE（01）XUVRANGE（00）0 x00000000000000000 x40000000000000000 x8000000000000000左為32位地址空間右為64位地址空間前綴（10）MAT6362 6160 59有效虛擬地址VA064位線性地址MATMAT：內存訪問類型（：內存訪問類型（CacheCache屬性）屬性）MAT=00MAT=00：強序非緩存：強序非緩存 MAT=01MAT=01：一致可緩存：一致可緩存 MAT=10MAT=10：弱序非緩存：弱序非緩存 MAT=11MAT=11：保留未使用：保留未使用LoongA

14、rchLoongArch簡介簡介12 內存管理：分頁映射內存管理：分頁映射 V V：有效位：有效位D D：寫臟位：寫臟位 P P：存在位：存在位W W：可寫位：可寫位 PLVPLV：特權級：特權級MATMAT：CacheCache屬性屬性 RPLVRPLV：特權級嚴格匹配標志：特權級嚴格匹配標志G G：全局位：全局位 PNPN：NUMANUMA的的ProtNoneProtNone標志標志SPSP：特殊頁標志：特殊頁標志頁幀號PFNRPLVNXNR63910SP60MATPN12W117GP65432V08PLVD164位頁表條目62610內內 核核 故故 事事13 V5.19V5.19：Loo

15、ngArchLoongArch體系結構主體部分于進入上游體系結構主體部分于進入上游 2 2萬萬1 1千行代碼，歷時千行代碼，歷時2020個月，迭代個月，迭代1515個版本個版本 V6.0V6.0：中斷控制器驅動、中斷控制器驅動、PCIPCI控制器驅動和控制器驅動和VDSOVDSO優化進入上游優化進入上游 V6.1V6.1：EFISTUBEFISTUB啟動、啟動、QspinlockQspinlock、PerfEventsPerfEvents、Kexec/KdumpKexec/Kdump、BPF JITBPF JIT等功能進入上游等功能進入上游 V6.2V6.2：FDTFDT啟動、掛起（啟動、掛起

16、（S3S3，SuspendSuspend）、休眠（）、休眠（S4S4，HibernationHibernation）、）、Ftrace Ftrace 等功能進入上游等功能進入上游內內 核核 故故 事事14 中斷控制器驅動的故事中斷控制器驅動的故事問題：問題：FDT具有描述具有描述irqchip級聯的能力，級聯的能力，ACPI沒有這種描述能力，而龍芯沒有這種描述能力，而龍芯LoongArch采用的采用的是是ACPI規范。規范。內內 核核 故故 事事15 中斷控制器驅動的故事（續）中斷控制器驅動的故事（續）內內 核核 故故 事事16 中斷控制器驅動的故事（續）中斷控制器驅動的故事（續）內內 核核

17、故故 事事17 EFISTUBEFISTUB啟動方式的故事啟動方式的故事 BootLoaderBootLoader（EFISTUB/GrubEFISTUB/Grub）傳遞給內核的信息：）傳遞給內核的信息：memmapmemmap、initrdinitrd、cmdline cmdline 第一版：第一版：a0=argca0=argc，a1=argva1=argv，a2=boot_paramsa2=boot_params boot_paramsboot_params包含了包含了memmapmemmap和和initrdinitrd等信息等信息 EFISTUBEFISTUB實現復雜，實現復雜，類似于類

18、似于X86X86 第二版：第二版：a0=efi_boota0=efi_boot，a1=fdt_pointera1=fdt_pointer fdt_pointerfdt_pointer包含了包含了memmapmemmap、initrdinitrd和和cmdlinecmdline等信息等信息 采用通用采用通用EFISTUBEFISTUB實現，同實現，同ARM64/RISCARM64/RISC-V V，但重度依賴，但重度依賴FDTFDT 第三版：第三版：a0=efi_boota0=efi_boot，a1=cmdlinea1=cmdline，a2=system_tablea2=system_table

19、 EFIEFI維護者親自實現，維護者親自實現，LoongArchLoongArch領先于領先于ARM64/RISCARM64/RISC-V V內內 核核 故故 事事18 采用通用實現，避免盲目創新采用通用實現，避免盲目創新 集眾人之智，特別先進、特別整潔，特別優雅集眾人之智，特別先進、特別整潔，特別優雅 通用系統調用表（通用系統調用表（unistd.h）include/uapi/asm-generic/unistd.h采用架構：采用架構：ARM64、OpenRISC、RISC-V、C-SKY、LoongArch 通用異常中斷入口（通用異常中斷入口（generic entry）kernel/en

20、try/common.c采用架構：采用架構：X86、S390、LoongArch 通用自旋鎖通用自旋鎖classic spinlock ticket spinlock qspinlockLoongArch現在采用通用現在采用通用ticket spinlock、以后將采用通用、以后將采用通用qspinlock未未 來來 展展 望望19 基本功能 重定位內核（PIE）、向量、虛擬化、二進制翻譯 電源管理 動態調頻（CPUFreq，DVFS）、溫度調控 調測工具 Kprobe/Uprobe、WatchPoint、kgdb 更多處理器支持 目前僅支持大CPU：龍芯3A5000/3C5000/3D500

21、0，使用ACPI 未來要支持小CPU：龍芯1X/2K500/2K1000/2K2000，使用FDTLoongArchLoongArch開源生態開源生態20 UEFI規范：規范：2.10版本開始支持版本開始支持LoongArch ACPI規范：規范：6.5版本開始支持版本開始支持LoongArch Automake：1.18版本開始支持版本開始支持LoongArch Cmake：3.20開始支持開始支持LoongArch Meson：0.57開始支持開始支持LoongArch Binutils：2.38版本開始支持版本開始支持LoongArch GCC：12版本開始支持版本開始支持LoongAr

22、ch Linux：5.19版本開始支持版本開始支持LoongArch Glibc：2.36版本開始支持版本開始支持LoongArch Systemd：250版本開始支持版本開始支持LoongArch FFmpeg：5.0版本開始支持版本開始支持LoongArch QEMU：7.1版本開始支持版本開始支持LoongArch GoLang：1.19開始支持開始支持LoongArch LLVM：15版本開始支持版本開始支持LoongArch.NET：7.0版本將支持版本將支持LoongArch OpenJDK/Rust/Musl：正在努力進行上游工作：正在努力進行上游工作鳴鳴 謝謝21李雪峰 龍芯中

23、科內核組組長，龍芯Linux內核代碼的管理者和領頭人毛碧波 呂建民 楊鐵柱 唐友靈 何金陽 張卿 龍芯中科主要社區內核開發者（郵件列表里面常見）以及在幕后默默奉獻的無名英雄。王雪瑞 楊嘉勛 席若堯 龍芯社區主要貢獻者，龍芯架構常態Reviewer，開發與溝通能力一流，在代碼貢獻之外起到了龍芯公司與社區及各內核子系統Maintainer連接的紐帶作用。我和我和用芯探核用芯探核22 我是誰？陳華才，龍芯中科內核開發者，Linux內核中MIPS/龍芯3號、KVM/MIPS以及龍芯新架構（LoongArch）的Maintainer 用芯探核是什么書？立足龍芯而包羅萬象 第一本基于龍芯處理器的內核書籍 第二本基于Linux-5.x版本的內核書籍 創造性地使用“樹形視圖”和“鏈式視圖”來解析源代碼的