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标题: 我们自己的芯片指令集架构——龙芯架构简介 [打印本页]

作者: 饭宝 时间: 2024-7-11 07:11
标题: 我们自己的芯片指令集架构——龙芯架构简介
CPU指令集架构（ISA, Instruction Set Architecture）

CPU指令集架构是处置惩罚器硬件与软件之间的接口规范，它界说了一组根本指令，以及这些指令的操纵格式、编码方式、寻址模式、寄存器构造、中断机制、异常处置惩罚等各个方面。ISA是盘算机硬件设计的底子，决定了处置惩罚器能够理解和执行的指令类型及操纵方式，是编写操纵体系、编译器以及应用步伐的基石。不同的ISA构成了不同类型的处置惩罚器，如x86、ARM、RISC-V、MIPS等。
LoongArch指令架构

LoongArch是龙芯中科（Loongson Technology）自主研发的一种指令集架构，专为中国的信息技能财产设计。它是龙芯团队在充实考虑兼容性、自主性、先进性、生态建设等因素的底子上，结合多年处置惩罚器研发履历和技能积累创建的全新架构。
LoongArch相比MIPS和RISC-V指令集架构，具有以下上风：

自主知识产权：

LoongArch是完全自主研发的指令集，不受外部专利束缚，确保了中国在信息技能范畴的自主可控性，这对于国家书息安全战略具有告急意义。相比之下，MIPS虽然也是开放架构，但其背后存在专利权属题目，而RISC-V虽然是开源指令集，但其生态中的相关实现大概受到第三方专利影响。

二进制翻译兼容性：

LoongArch设计时考虑了对多种主流指令集（如X86、ARM等）的二进制翻译支持，这使得已有的软件生态能够较为便捷地迁徙到LoongArch平台上，低落了生态建设的门槛。MIPS和RISC-V虽然也有多平台移植工具，但LoongArch在设计层面的兼容性考量大概更为全面。

指令集扩展与优化：

LoongArch在底子指令集之外，提供了丰富的扩展指令集以支持特定应用范畴的高效处置惩罚，如向量运算、并行盘算、安全增强等，这些扩展大概在针对性和丰富水平上逾越了MIPS和RISC-V的标准实现。尤其是对于高性能盘算、安全应用等场景，LoongArch大概提供了更契合需求的定制化指令。

性能优化：

信息表明，LoongArch在指令格式、立即数大小、分支跳转范围等方面举行了优化设计，这些改进有利于淘汰编译结果的指令数量、淘汰访存次数，从而提高处置惩罚器效能。相比之下，尽管MIPS和RISC-V也强调性能效率，但LoongArch在某些具体设计上大概具有后发上风，能够更好地顺应今世软硬件设计趋势。

生态建设与市场定位：

文献提及，LoongArch在桌面和服务器市场上相对于RISC-V具有上风，这反映在已经形成的软件生态、商业应用支持以及与特定行业标准的对接上。在高性能盘算和关键底子办法范畴，LoongArch大概通过与国内财产深度合作，更快地建立起符合特定行业需求的办理方案。相比之下，MIPS和RISC-V虽然也在积极发展生态，但大概在某些特定市场范畴的成熟度和针对性上不及LoongArch。

技能演进与支持：

龙芯中科作为国内专注于处置惩罚器设计的企业，对LoongArch架构有着持续的研发投入和迭代升级本领。这意味着LoongArch有望随着技能进步不断更新和完善，以保持竞争力。相比之下，MIPS作为历史悠久的架构，其技能演进速度大概相对放缓，而RISC-V作为新兴开放架构，虽然社区活泼，但具体实现的演进速度和方向大概取决于社区共识和各到场方的积极。
对比

32位MIPS指令

组成部分与位数： MIPS 32位指令通常由以下几个部分组成：

操纵码（Opcode）：指定要执行的根本操纵，通常占用6位。MIPS使用固定的指令长度（32位），操纵码字段较小，意味着指令集相对紧凑。
寄存器源字段（RS, RT, RD）：指定操纵数所在的寄存器。MIPS有32个通用寄存器，通常使用5位来编码每个寄存器字段。
RS（Source Register）：指定第一个源操纵数所在的寄存器，一样寻常为5位。
RT（Target Register）：指定第二个源操纵数或结果存放的寄存器，同样是5位。
RD（Destination Register）：指定目的寄存器，存放运算结果，也是5位。
立即数（Immediate Value）：直接包含在指令中的数值，用于提供常数值或偏移量。立即数的位数根据指令的不同而变革，通常为16位。
函数代码（Function Code, Func）：对于某些指令（如jr、jalr），用于指定特别操纵的附加信息，占用6位。
移位量（Shift Amount, SA）：在涉及逻辑或算术移位的指令中，指定移位的位数，通常为5位。
内存地址盘算字段：
基址寄存器（Base Register, BASE）：指定内存访问的基地址寄存器，5位。
偏移量（Offset）：对于内存访问指令，提供一个16位的有符号立即数偏移量，用于盘算最终内存地址。

2.指令种类： MIPS指令集主要包括以下几种类型的指令：

算术逻辑指令（ALU Operations）：如加减乘除、位逻辑操纵等。
数据传送指令（Data Transfer）：包括寄存器间的数据移动、加载/存储内存数据等。
分支指令（Branches）：条件分支、无条件跳转、子步伐调用/返回等。
延迟槽（Delayed Slot）：MIPS使用延迟分支机制，分支指令后的下一个指令（延迟槽）通常用来填充流水线，以提高处置惩罚器效率。
体系控制指令（System Control）：如中断处置惩罚、特权级别切换等。

RISC-V 32位指令

1.组成部分与位数： RISC-V 32位指令采用变长编码，但最常见的是压缩（C）扩展后的16位指令和标准32位指令。这里主要描述32位指令格式：

操纵码（Opcode）：指示根本操纵，RISC-V 32位指令的操纵码通常占7位。
寄存器字段（Rs1, Rs2, Rd）：分别指定源寄存器和目的寄存器，通常每个字段为5位，共计15位。
Rs1：第一个源寄存器。
Rs2：第二个源寄存器（某些指令大概只有一个源寄存器）。
Rd：目的寄存器，存放运算结果。
立即数（Immediate Value）：不同指令的立即数位数和格式各异，可以是12位、20位等，具体取决于指令类型和所采用的立即数编码方案。
功能编码（Funct3, Funct7）：进一步细化操纵码，提供指令子类型或特定操纵信息。Funct3通常占3位，Funct7占7位。

2.指令种类： RISC-V指令集同样包括多种指令类型：

算术逻辑指令（ALU Operations）：如加减乘除、位逻辑操纵、比力等。
数据传送指令（Load/Store）：包括寄存器到寄存器的数据移动、从内存加载数据到寄存器、将寄存器数据存储到内存等。
分支指令（Branches and Jumps）：条件分支、无条件跳转、间接跳转、子步伐调用/返回等。
压缩指令（Compressed Instructions）：16位压缩指令集，提供更高效的编码以淘汰代码大小。
向量指令（Vector Extension, V）：可选扩展，支持SIMD（单指令多数据）操纵，高效处置惩罚大量数据。
浮点指令（Floating-Point Extension, F/D/Q）：支持单精度、双精度和四精度浮点运算。
其他扩展指令：如原子操纵（A）、乘法累加（M）、特权指令（P）、用户级中断（U）等。

LoongArch 32位指令

LoongArch架构采用底子部分（Loongson Base）加扩展部分的构造形式。其中扩展部分包括：二进制翻译扩展（Loongson Binary Translation，简称 LBT）、虚拟化扩展（Loongson Virtualization，简称LVZ）、向量扩展（Loongson SIMD Extension，简称 LSX）和高级向量扩展（Loongson Advanced SIMD Extension，简称 LASX）。MIPS，RISC-V，LoongArch 32位指令集都有自己的指令集编码格式，都有着完备的底子功能，但LoongArch的指令集编码格式更加的复杂，包含了更多的指令类型和操纵数。
个人认为的很有特征的点
操纵码都是从第 31 比特开始从高到低依次摆放。假如指令中包含有立即数操纵数，那么立即数域位于寄存器域和操纵码域之间，根据不同指令类型有不同的长度。具体来说，包含 9 种典型的指令编码格式，即 3 种不含立即数的编码格式 2R、3R、4R，以及 6 种含立即数的编码格式 2RI8、2RI12、2RI14、2RI16、1RI21、I26。
以下图片来自于LoongArch官方文档：龙芯架构32位精简版参考手册_v1.03.pdf

这就表明LoongArch的扩展性更加的强大，可以支持更多的指令类型和操纵数，而且指令集编码格式也更加的复杂，更加的得当于高性能盘算、安全应用等场景。

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