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.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
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.. include:: ../disclaimer-zh_CN.rst
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:Original: Documentation/loongarch/introduction.rst
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:Translator: Huacai Chen <chenhuacai@loongson.cn>
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LoongArch介绍
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LoongArch是一种新的RISC ISA，在一定程度上类似于MIPS和RISC-V。LoongArch指令集
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包括一个精简32位版（LA32R）、一个标准32位版（LA32S）、一个64位版（LA64）。
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LoongArch定义了四个特权级（PLV0~PLV3），其中PLV0是最高特权级，用于内核；而PLV3
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是最低特权级，用于应用程序。本文档介绍了LoongArch的寄存器、基础指令集、虚拟内
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存以及其他一些主题。
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寄存器
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LoongArch的寄存器包括通用寄存器（GPRs）、浮点寄存器（FPRs）、向量寄存器（VRs）
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和用于特权模式（PLV0）的控制状态寄存器（CSRs）。
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通用寄存器
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LoongArch包括32个通用寄存器（ ``$r0`` ~ ``$r31`` ），LA32中每个寄存器为32位宽，
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LA64中每个寄存器为64位宽。 ``$r0`` 的内容总是固定为0，而其他寄存器在体系结构层面
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没有特殊功能。（ ``$r1`` 算是一个例外，在BL指令中固定用作链接返回寄存器。）
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内核使用了一套LoongArch寄存器约定，定义在LoongArch ELF psABI规范中，详细描述参见
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:ref:`参考文献 <loongarch-references-zh_CN>`:
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寄存器名 别名 用途 跨调用保持
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``$r0`` ``$zero`` 常量0 不使用
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``$r1`` ``$ra`` 返回地址 否
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``$r2`` ``$tp`` TLS/线程信息指针 不使用
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``$r3`` ``$sp`` 栈指针 是
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``$r4``-``$r11`` ``$a0``-``$a7`` 参数寄存器 否
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``$r4``-``$r5`` ``$v0``-``$v1`` 返回值 否
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``$r12``-``$r20`` ``$t0``-``$t8`` 临时寄存器 否
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``$r21`` ``$u0`` 每CPU变量基地址 不使用
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``$r22`` ``$fp`` 帧指针 是
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``$r23``-``$r31`` ``$s0``-``$s8`` 静态寄存器 是
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.. note::
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注意： ``$r21`` 寄存器在ELF psABI中保留未使用，但是在Linux内核用于保
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存每CPU变量基地址。该寄存器没有ABI命名，不过在内核中称为 ``$u0`` 。在
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一些遗留代码中有时可能见到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ，它们是 ``$a0`` 和
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``$a1`` 的别名，属于已经废弃的用法。
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浮点寄存器
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当系统中存在FPU时，LoongArch有32个浮点寄存器（ ``$f0`` ~ ``$f31`` ）。在LA64
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的CPU核上，每个寄存器均为64位宽。
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浮点寄存器的使用约定与LoongArch ELF psABI规范的描述相同：
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寄存器名 别名 用途 跨调用保持
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``$f0``-``$f7`` ``$fa0``-``$fa7`` 参数寄存器 否
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``$f0``-``$f1`` ``$fv0``-``$fv1`` 返回值 否
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``$f8``-``$f23`` ``$ft0``-``$ft15`` 临时寄存器 否
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``$f24``-``$f31`` ``$fs0``-``$fs7`` 静态寄存器 是
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================= ================== =================== ==========
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.. note::
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注意：在一些遗留代码中有时可能见到 ``$fv0`` 和 ``$fv1`` ，它们是
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``$fa0`` 和 ``$fa1`` 的别名，属于已经废弃的用法。
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向量寄存器
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LoongArch现有两种向量扩展：
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- 128位向量扩展LSX（全称Loongson SIMD eXtention），
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- 256位向量扩展LASX（全称Loongson Advanced SIMD eXtention）。
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LSX使用 ``$v0`` ~ ``$v31`` 向量寄存器，而LASX则使用 ``$x0`` ~ ``$x31`` 。
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浮点寄存器和向量寄存器是复用的，比如：在一个实现了LSX和LASX的核上， ``$x0`` 的
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低128位与 ``$v0`` 共用， ``$v0`` 的低64位与 ``$f0`` 共用，其他寄存器依此类推。
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控制状态寄存器
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控制状态寄存器只能在特权模式（PLV0）下访问:
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地址 全称描述 简称
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0x0 当前模式信息 CRMD
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0x1 异常前模式信息 PRMD
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0x2 扩展部件使能 EUEN
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0x3 杂项控制 MISC
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0x4 异常配置 ECFG
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0x5 异常状态 ESTAT
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0x6 异常返回地址 ERA
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0x7 出错(Faulting)虚拟地址 BADV
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0x8 出错(Faulting)指令字 BADI
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0xC 异常入口地址 EENTRY
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0x10 TLB索引 TLBIDX
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0x11 TLB表项高位 TLBEHI
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0x12 TLB表项低位0 TLBELO0
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0x13 TLB表项低位1 TLBELO1
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0x18 地址空间标识符 ASID
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0x19 低半地址空间页全局目录基址 PGDL
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0x1A 高半地址空间页全局目录基址 PGDH
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0x1B 页全局目录基址 PGD
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0x1C 页表遍历控制低半部分 PWCL
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0x1D 页表遍历控制高半部分 PWCH
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0x1E STLB页大小 STLBPS
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0x1F 缩减虚地址配置 RVACFG
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0x20 CPU编号 CPUID
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0x21 特权资源配置信息1 PRCFG1
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0x22 特权资源配置信息2 PRCFG2
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0x23 特权资源配置信息3 PRCFG3
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0x30+n (0≤n≤15) 数据保存寄存器 SAVEn
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0x40 定时器编号 TID
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0x41 定时器配置 TCFG
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0x42 定时器值 TVAL
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0x43 计时器补偿 CNTC
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0x44 定时器中断清除 TICLR
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0x60 LLBit相关控制 LLBCTL
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0x80 实现相关控制1 IMPCTL1
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0x81 实现相关控制2 IMPCTL2
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0x88 TLB重填异常入口地址 TLBRENTRY
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0x89 TLB重填异常出错(Faulting)虚地址 TLBRBADV
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0x8A TLB重填异常返回地址 TLBRERA
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0x8B TLB重填异常数据保存 TLBRSAVE
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0x8C TLB重填异常表项低位0 TLBRELO0
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0x8D TLB重填异常表项低位1 TLBRELO1
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0x8E TLB重填异常表项高位 TLBEHI
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0x8F TLB重填异常前模式信息 TLBRPRMD
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0x90 机器错误控制 MERRCTL
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0x91 机器错误信息1 MERRINFO1
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0x92 机器错误信息2 MERRINFO2
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0x93 机器错误异常入口地址 MERRENTRY
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0x94 机器错误异常返回地址 MERRERA
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0x95 机器错误异常数据保存 MERRSAVE
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0x98 高速缓存标签 CTAG
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0x180+n (0≤n≤3) 直接映射配置窗口n DMWn
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0x200+2n (0≤n≤31) 性能监测配置n PMCFGn
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0x201+2n (0≤n≤31) 性能监测计数器n PMCNTn
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0x300 内存读写监视点整体控制 MWPC
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0x301 内存读写监视点整体状态 MWPS
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0x310+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置1 MWPnCFG1
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0x311+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置2 MWPnCFG2
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0x312+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置3 MWPnCFG3
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0x313+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置4 MWPnCFG4
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0x380 取指监视点整体控制 FWPC
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0x381 取指监视点整体状态 FWPS
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0x390+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置1 FWPnCFG1
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0x391+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置2 FWPnCFG2
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0x392+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置3 FWPnCFG3
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0x393+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置4 FWPnCFG4
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0x500 调试寄存器 DBG
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0x501 调试异常返回地址 DERA
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0x502 调试数据保存 DSAVE
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ERA，TLBRERA，MERRERA和DERA有时也分别称为EPC，TLBREPC，MERREPC和DEPC。
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基础指令集
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指令格式
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LoongArch的指令字长为32位，一共有9种基本指令格式（以及一些变体）:
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格式名称 指令构成
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2R Opcode + Rj + Rd
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3R Opcode + Rk + Rj + Rd
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4R Opcode + Ra + Rk + Rj + Rd
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2RI8 Opcode + I8 + Rj + Rd
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2RI12 Opcode + I12 + Rj + Rd
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2RI14 Opcode + I14 + Rj + Rd
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2RI16 Opcode + I16 + Rj + Rd
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1RI21 Opcode + I21L + Rj + I21H
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I26 Opcode + I26L + I26H
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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
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4R-type格式特有的附加操作数（寄存器）。I8/I12/I14/I16/I21/I26分别是8位/12位/14位/
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16位/21位/26位的立即数。其中较长的21位和26位立即数在指令字中被分割为高位部分与低位
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部分，所以你们在这里的格式描述中能够看到I21L/I21H和I26L/I26H这样带后缀的表述。
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指令列表
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为了简便起见，我们在此只罗列一下指令名称（助记符），需要详细信息请阅读
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:ref:`参考文献 <loongarch-references-zh_CN>` 中的文档。
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1. 算术运算指令::
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ADD.W SUB.W ADDI.W ADD.D SUB.D ADDI.D
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SLT SLTU SLTI SLTUI
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AND OR NOR XOR ANDN ORN ANDI ORI XORI
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MUL.W MULH.W MULH.WU DIV.W DIV.WU MOD.W MOD.WU
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MUL.D MULH.D MULH.DU DIV.D DIV.DU MOD.D MOD.DU
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PCADDI PCADDU12I PCADDU18I
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LU12I.W LU32I.D LU52I.D ADDU16I.D
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2. 移位运算指令::
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SLL.W SRL.W SRA.W ROTR.W SLLI.W SRLI.W SRAI.W ROTRI.W
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SLL.D SRL.D SRA.D ROTR.D SLLI.D SRLI.D SRAI.D ROTRI.D
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3. 位域操作指令::
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EXT.W.B EXT.W.H CLO.W CLO.D SLZ.W CLZ.D CTO.W CTO.D CTZ.W CTZ.D
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BYTEPICK.W BYTEPICK.D BSTRINS.W BSTRINS.D BSTRPICK.W BSTRPICK.D
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REVB.2H REVB.4H REVB.2W REVB.D REVH.2W REVH.D BITREV.4B BITREV.8B BITREV.W BITREV.D
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MASKEQZ MASKNEZ
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4. 分支转移指令::
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BEQ BNE BLT BGE BLTU BGEU BEQZ BNEZ B BL JIRL
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5. 访存读写指令::
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LD.B LD.BU LD.H LD.HU LD.W LD.WU LD.D ST.B ST.H ST.W ST.D
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LDX.B LDX.BU LDX.H LDX.HU LDX.W LDX.WU LDX.D STX.B STX.H STX.W STX.D
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LDPTR.W LDPTR.D STPTR.W STPTR.D
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PRELD PRELDX
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6. 原子操作指令::
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LL.W SC.W LL.D SC.D
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AMSWAP.W AMSWAP.D AMADD.W AMADD.D AMAND.W AMAND.D AMOR.W AMOR.D AMXOR.W AMXOR.D
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AMMAX.W AMMAX.D AMMIN.W AMMIN.D
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7. 栅障指令::
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IBAR DBAR
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8. 特殊指令::
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SYSCALL BREAK CPUCFG NOP IDLE ERTN(ERET) DBCL(DBGCALL) RDTIMEL.W RDTIMEH.W RDTIME.D
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ASRTLE.D ASRTGT.D
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9. 特权指令::
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CSRRD CSRWR CSRXCHG
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IOCSRRD.B IOCSRRD.H IOCSRRD.W IOCSRRD.D IOCSRWR.B IOCSRWR.H IOCSRWR.W IOCSRWR.D
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CACOP TLBP(TLBSRCH) TLBRD TLBWR TLBFILL TLBCLR TLBFLUSH INVTLB LDDIR LDPTE
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虚拟内存
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LoongArch可以使用直接映射虚拟内存和分页映射虚拟内存。
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直接映射虚拟内存通过CSR.DMWn（n=0~3）来进行配置，虚拟地址（VA）和物理地址（PA）
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之间有简单的映射关系::
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VA = PA + 固定偏移
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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
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表中。LoongArch的TLB包括一个全相联的MTLB（Multiple Page Size TLB，多样页大小TLB）
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和一个组相联的STLB（Single Page Size TLB，单一页大小TLB）。
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缺省状态下，LA32的整个虚拟地址空间配置如下：
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区段名 地址范围 属性
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============ =========================== ===========================
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``UVRANGE`` ``0x00000000 - 0x7FFFFFFF`` 分页映射, 可缓存, PLV0~3
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``KPRANGE0`` ``0x80000000 - 0x9FFFFFFF`` 直接映射, 非缓存, PLV0
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``KPRANGE1`` ``0xA0000000 - 0xBFFFFFFF`` 直接映射, 可缓存, PLV0
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``KVRANGE`` ``0xC0000000 - 0xFFFFFFFF`` 分页映射, 可缓存, PLV0
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============ =========================== ===========================
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用户态（PLV3）只能访问UVRANGE，对于直接映射的KPRANGE0和KPRANGE1，将虚拟地址的第
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30~31位清零就等于物理地址。例如：物理地址0x00001000对应的非缓存直接映射虚拟地址
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是0x80001000，而其可缓存直接映射虚拟地址是0xA0001000。
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缺省状态下，LA64的整个虚拟地址空间配置如下：
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============ ====================== ==================================
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区段名 地址范围 属性
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============ ====================== ==================================
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``XUVRANGE`` ``0x0000000000000000 - 分页映射, 可缓存, PLV0~3
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0x3FFFFFFFFFFFFFFF``
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``XSPRANGE`` ``0x4000000000000000 - 直接映射, 可缓存 / 非缓存, PLV0
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0x7FFFFFFFFFFFFFFF``
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``XKPRANGE`` ``0x8000000000000000 - 直接映射, 可缓存 / 非缓存, PLV0
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0xBFFFFFFFFFFFFFFF``
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``XKVRANGE`` ``0xC000000000000000 - 分页映射, 可缓存, PLV0
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0xFFFFFFFFFFFFFFFF``
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============ ====================== ==================================
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用户态（PLV3）只能访问XUVRANGE，对于直接映射的XSPRANGE和XKPRANGE，将虚拟地址的第
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60~63位清零就等于物理地址，而其缓存属性是通过虚拟地址的第60~61位配置的（0表示强序
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非缓存，1表示一致可缓存，2表示弱序非缓存）。
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目前，我们仅用XKPRANGE来进行直接映射，XSPRANGE保留给以后用。
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此处给出一个直接映射的例子：物理地址0x00000000_00001000的强序非缓存直接映射虚拟地址
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（在XKPRANGE中）是0x80000000_00001000，其一致可缓存直接映射虚拟地址（在XKPRANGE中）
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是0x90000000_00001000，而其弱序非缓存直接映射虚拟地址（在XKPRANGE中）是0xA0000000_
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00001000。
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Loongson与LoongArch的关系
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LoongArch是一种RISC指令集架构（ISA），不同于现存的任何一种ISA，而Loongson（即龙
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芯）是一个处理器家族。龙芯包括三个系列：Loongson-1（龙芯1号）是32位处理器系列，
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Loongson-2（龙芯2号）是低端64位处理器系列，而Loongson-3（龙芯3号）是高端64位处理
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器系列。旧的龙芯处理器基于MIPS架构，而新的龙芯处理器基于LoongArch架构。以龙芯3号
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为例：龙芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000都是兼容MIPS的，而龙芯3A5000（以及将
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来的型号）都是基于LoongArch的。
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.. _loongarch-references-zh_CN:
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参考文献
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Loongson官方网站（龙芯中科技术股份有限公司）：
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http://www.loongson.cn/
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Loongson与LoongArch的开发者网站（软件与文档资源）：
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http://www.loongnix.cn/
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https://github.com/loongson/
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https://loongson.github.io/LoongArch-Documentation/
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LoongArch指令集架构的文档：
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https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.02-CN.pdf （中文版）
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https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.02-EN.pdf （英文版）
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LoongArch的ELF psABI文档：
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https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v2.00-CN.pdf （中文版）
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https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v2.00-EN.pdf （英文版）
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Loongson与LoongArch的Linux内核源码仓库：
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https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/chenhuacai/linux-loongson.git
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