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.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
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.. include:: ../../disclaimer-zh_TW.rst
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:Original: Documentation/arch/loongarch/introduction.rst
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:Translator: Huacai Chen <chenhuacai@loongson.cn>
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LoongArch介紹
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LoongArch是一種新的RISC ISA，在一定程度上類似於MIPS和RISC-V。LoongArch指令集
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包括一個精簡32位版（LA32R）、一個標準32位版（LA32S）、一個64位版（LA64）。
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LoongArch定義了四個特權級（PLV0~PLV3），其中PLV0是最高特權級，用於內核；而PLV3
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是最低特權級，用於應用程序。本文檔介紹了LoongArch的寄存器、基礎指令集、虛擬內
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存以及其他一些主題。
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寄存器
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LoongArch的寄存器包括通用寄存器（GPRs）、浮點寄存器（FPRs）、向量寄存器（VRs）
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和用於特權模式（PLV0）的控制狀態寄存器（CSRs）。
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通用寄存器
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LoongArch包括32個通用寄存器（ ``$r0`` ~ ``$r31`` ），LA32中每個寄存器爲32位寬，
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LA64中每個寄存器爲64位寬。 ``$r0`` 的內容總是固定爲0，而其他寄存器在體系結構層面
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沒有特殊功能。（ ``$r1`` 算是一個例外，在BL指令中固定用作鏈接返回寄存器。）
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內核使用了一套LoongArch寄存器約定，定義在LoongArch ELF psABI規範中，詳細描述參見
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:ref:`參考文獻 <loongarch-references-zh_TW>`:
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寄存器名 別名 用途 跨調用保持
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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/線程信息指針 不使用
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``$r3`` ``$sp`` 棧指針 是
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``$r4``-``$r11`` ``$a0``-``$a7`` 參數寄存器 否
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``$r4``-``$r5`` ``$v0``-``$v1`` 返回值 否
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``$r12``-``$r20`` ``$t0``-``$t8`` 臨時寄存器 否
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``$r21`` ``$u0`` 每CPU變量基地址 不使用
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``$r22`` ``$fp`` 幀指針 是
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``$r23``-``$r31`` ``$s0``-``$s8`` 靜態寄存器 是
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.. note::
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注意： ``$r21`` 寄存器在ELF psABI中保留未使用，但是在Linux內核用於保
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存每CPU變量基地址。該寄存器沒有ABI命名，不過在內核中稱爲 ``$u0`` 。在
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一些遺留代碼中有時可能見到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ，它們是 ``$a0`` 和
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``$a1`` 的別名，屬於已經廢棄的用法。
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浮點寄存器
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當系統中存在FPU時，LoongArch有32個浮點寄存器（ ``$f0`` ~ ``$f31`` ）。在LA64
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的CPU核上，每個寄存器均爲64位寬。
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浮點寄存器的使用約定與LoongArch ELF psABI規範的描述相同：
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寄存器名 別名 用途 跨調用保持
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``$f0``-``$f7`` ``$fa0``-``$fa7`` 參數寄存器 否
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``$f0``-``$f1`` ``$fv0``-``$fv1`` 返回值 否
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``$f8``-``$f23`` ``$ft0``-``$ft15`` 臨時寄存器 否
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``$f24``-``$f31`` ``$fs0``-``$fs7`` 靜態寄存器 是
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================= ================== =================== ==========
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.. note::
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注意：在一些遺留代碼中有時可能見到 ``$fv0`` 和 ``$fv1`` ，它們是
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``$fa0`` 和 ``$fa1`` 的別名，屬於已經廢棄的用法。
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向量寄存器
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LoongArch現有兩種向量擴展：
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- 128位向量擴展LSX（全稱Loongson SIMD eXtention），
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- 256位向量擴展LASX（全稱Loongson Advanced SIMD eXtention）。
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LSX使用 ``$v0`` ~ ``$v31`` 向量寄存器，而LASX則使用 ``$x0`` ~ ``$x31`` 。
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浮點寄存器和向量寄存器是複用的，比如：在一個實現了LSX和LASX的核上， ``$x0`` 的
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低128位與 ``$v0`` 共用， ``$v0`` 的低64位與 ``$f0`` 共用，其他寄存器依此類推。
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控制狀態寄存器
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控制狀態寄存器只能在特權模式（PLV0）下訪問:
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地址 全稱描述 簡稱
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0x0 當前模式信息 CRMD
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0x1 異常前模式信息 PRMD
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0x2 擴展部件使能 EUEN
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0x3 雜項控制 MISC
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0x4 異常配置 ECFG
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0x5 異常狀態 ESTAT
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0x6 異常返回地址 ERA
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0x7 出錯(Faulting)虛擬地址 BADV
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0x8 出錯(Faulting)指令字 BADI
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0xC 異常入口地址 EENTRY
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0x10 TLB索引 TLBIDX
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0x11 TLB表項高位 TLBEHI
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0x12 TLB表項低位0 TLBELO0
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0x13 TLB表項低位1 TLBELO1
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0x18 地址空間標識符 ASID
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0x19 低半地址空間頁全局目錄基址 PGDL
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0x1A 高半地址空間頁全局目錄基址 PGDH
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0x1B 頁全局目錄基址 PGD
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0x1C 頁表遍歷控制低半部分 PWCL
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0x1D 頁表遍歷控制高半部分 PWCH
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0x1E STLB頁大小 STLBPS
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0x1F 縮減虛地址配置 RVACFG
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0x20 CPU編號 CPUID
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0x21 特權資源配置信息1 PRCFG1
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0x22 特權資源配置信息2 PRCFG2
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0x23 特權資源配置信息3 PRCFG3
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0x30+n (0≤n≤15) 數據保存寄存器 SAVEn
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0x40 定時器編號 TID
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0x41 定時器配置 TCFG
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0x42 定時器值 TVAL
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0x43 計時器補償 CNTC
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0x44 定時器中斷清除 TICLR
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0x60 LLBit相關控制 LLBCTL
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0x80 實現相關控制1 IMPCTL1
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0x81 實現相關控制2 IMPCTL2
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0x88 TLB重填異常入口地址 TLBRENTRY
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0x89 TLB重填異常出錯(Faulting)虛地址 TLBRBADV
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0x8A TLB重填異常返回地址 TLBRERA
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0x8B TLB重填異常數據保存 TLBRSAVE
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0x8C TLB重填異常表項低位0 TLBRELO0
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0x8D TLB重填異常表項低位1 TLBRELO1
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0x8E TLB重填異常表項高位 TLBEHI
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0x8F TLB重填異常前模式信息 TLBRPRMD
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0x90 機器錯誤控制 MERRCTL
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0x91 機器錯誤信息1 MERRINFO1
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0x92 機器錯誤信息2 MERRINFO2
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0x93 機器錯誤異常入口地址 MERRENTRY
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0x94 機器錯誤異常返回地址 MERRERA
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0x95 機器錯誤異常數據保存 MERRSAVE
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0x98 高速緩存標籤 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) 性能監測配置n PMCFGn
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0x201+2n (0≤n≤31) 性能監測計數器n PMCNTn
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0x300 內存讀寫監視點整體控制 MWPC
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0x301 內存讀寫監視點整體狀態 MWPS
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0x310+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置1 MWPnCFG1
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0x311+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置2 MWPnCFG2
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0x312+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置3 MWPnCFG3
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0x313+8n (0≤n≤7) 內存讀寫監視點n配置4 MWPnCFG4
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0x380 取指監視點整體控制 FWPC
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0x381 取指監視點整體狀態 FWPS
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0x390+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置1 FWPnCFG1
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0x391+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置2 FWPnCFG2
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0x392+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置3 FWPnCFG3
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0x393+8n (0≤n≤7) 取指監視點n配置4 FWPnCFG4
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0x500 調試寄存器 DBG
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0x501 調試異常返回地址 DERA
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0x502 調試數據保存 DSAVE
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ERA，TLBRERA，MERRERA和DERA有時也分別稱爲EPC，TLBREPC，MERREPC和DEPC。
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基礎指令集
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指令格式
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LoongArch的指令字長爲32位，一共有9種基本指令格式（以及一些變體）:
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格式名稱 指令構成
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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是指令操作碼，Rj和Rk是源操作數（寄存器），Rd是目標操作數（寄存器），Ra是
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4R-type格式特有的附加操作數（寄存器）。I8/I12/I14/I16/I21/I26分別是8位/12位/14位/
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16位/21位/26位的立即數。其中較長的21位和26位立即數在指令字中被分割爲高位部分與低位
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部分，所以你們在這裏的格式描述中能夠看到I21L/I21H和I26L/I26H這樣帶後綴的表述。
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指令列表
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爲了簡便起見，我們在此只羅列一下指令名稱（助記符），需要詳細信息請閱讀
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:ref:`參考文獻 <loongarch-references-zh_TW>` 中的文檔。
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1. 算術運算指令::
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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. 移位運算指令::
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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. 分支轉移指令::
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BEQ BNE BLT BGE BLTU BGEU BEQZ BNEZ B BL JIRL
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5. 訪存讀寫指令::
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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. 柵障指令::
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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. 特權指令::
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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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虛擬內存
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LoongArch可以使用直接映射虛擬內存和分頁映射虛擬內存。
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直接映射虛擬內存通過CSR.DMWn（n=0~3）來進行配置，虛擬地址（VA）和物理地址（PA）
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之間有簡單的映射關係::
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VA = PA + 固定偏移
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分頁映射的虛擬地址（VA）和物理地址（PA）有任意的映射關係，這種關係記錄在TLB和頁
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表中。LoongArch的TLB包括一個全相聯的MTLB（Multiple Page Size TLB，多樣頁大小TLB）
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和一個組相聯的STLB（Single Page Size TLB，單一頁大小TLB）。
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缺省狀態下，LA32的整個虛擬地址空間配置如下：
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區段名 地址範圍 屬性
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============ =========================== ===========================
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``UVRANGE`` ``0x00000000 - 0x7FFFFFFF`` 分頁映射, 可緩存, PLV0~3
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``KPRANGE0`` ``0x80000000 - 0x9FFFFFFF`` 直接映射, 非緩存, PLV0
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``KPRANGE1`` ``0xA0000000 - 0xBFFFFFFF`` 直接映射, 可緩存, PLV0
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``KVRANGE`` ``0xC0000000 - 0xFFFFFFFF`` 分頁映射, 可緩存, PLV0
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============ =========================== ===========================
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用戶態（PLV3）只能訪問UVRANGE，對於直接映射的KPRANGE0和KPRANGE1，將虛擬地址的第
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30~31位清零就等於物理地址。例如：物理地址0x00001000對應的非緩存直接映射虛擬地址
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是0x80001000，而其可緩存直接映射虛擬地址是0xA0001000。
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缺省狀態下，LA64的整個虛擬地址空間配置如下：
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區段名 地址範圍 屬性
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============ ====================== ==================================
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``XUVRANGE`` ``0x0000000000000000 - 分頁映射, 可緩存, PLV0~3
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0x3FFFFFFFFFFFFFFF``
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``XSPRANGE`` ``0x4000000000000000 - 直接映射, 可緩存 / 非緩存, PLV0
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0x7FFFFFFFFFFFFFFF``
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``XKPRANGE`` ``0x8000000000000000 - 直接映射, 可緩存 / 非緩存, PLV0
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0xBFFFFFFFFFFFFFFF``
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``XKVRANGE`` ``0xC000000000000000 - 分頁映射, 可緩存, PLV0
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0xFFFFFFFFFFFFFFFF``
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============ ====================== ==================================
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用戶態（PLV3）只能訪問XUVRANGE，對於直接映射的XSPRANGE和XKPRANGE，將虛擬地址的第
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60~63位清零就等於物理地址，而其緩存屬性是通過虛擬地址的第60~61位配置的（0表示強序
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非緩存，1表示一致可緩存，2表示弱序非緩存）。
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目前，我們僅用XKPRANGE來進行直接映射，XSPRANGE保留給以後用。
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此處給出一個直接映射的例子：物理地址0x00000000_00001000的強序非緩存直接映射虛擬地址
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（在XKPRANGE中）是0x80000000_00001000，其一致可緩存直接映射虛擬地址（在XKPRANGE中）
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是0x90000000_00001000，而其弱序非緩存直接映射虛擬地址（在XKPRANGE中）是0xA0000000_
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00001000。
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Loongson與LoongArch的關係
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LoongArch是一種RISC指令集架構（ISA），不同於現存的任何一種ISA，而Loongson（即龍
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芯）是一個處理器家族。龍芯包括三個系列：Loongson-1（龍芯1號）是32位處理器系列，
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Loongson-2（龍芯2號）是低端64位處理器系列，而Loongson-3（龍芯3號）是高端64位處理
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器系列。舊的龍芯處理器基於MIPS架構，而新的龍芯處理器基於LoongArch架構。以龍芯3號
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爲例：龍芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000都是兼容MIPS的，而龍芯3A5000（以及將
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來的型號）都是基於LoongArch的。
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.. _loongarch-references-zh_TW:
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參考文獻
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Loongson官方網站（龍芯中科技術股份有限公司）：
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http://www.loongson.cn/
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Loongson與LoongArch的開發者網站（軟件與文檔資源）：
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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指令集架構的文檔：
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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文檔：
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https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v2.01-CN.pdf （中文版）
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|
https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v2.01-EN.pdf （英文版）
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Loongson與LoongArch的Linux內核源碼倉庫：
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https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/chenhuacai/linux-loongson.git
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