?龍芯發(fā)布的LoongArch到底是一套自研全新架構(gòu)還是一套基于MIPS魔改的指令集？

Morris.Zhang

2022 年度新知答主

283 人也贊同了該回答

從起源談起，過(guò)去的龍芯指令都是在MIPS上擴(kuò)展，包括傳統(tǒng)的LoongISA添加了很多擴(kuò)展，比如為了二進(jìn)制翻譯擴(kuò)展了157條指令，以及還有額外的向量擴(kuò)展；還包括很多內(nèi)核級(jí)加解密指令（早期龍芯是用于信息安全可控）。從自主可控的角度，顯然其基于MIPS擴(kuò)展的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)不夠牢靠，有些細(xì)節(jié)是積重難返，很難改掉，而且如今Wave Computing也不在了，對(duì)MIPS家族的商業(yè)化演進(jìn)也成為問(wèn)題，以及Wave歷來(lái)一些核心技術(shù)改進(jìn)都是供應(yīng)美軍方的，并不會(huì)付諸商業(yè)化；于是，這成為龍芯決定自定義一個(gè)LoongArch自主指令系統(tǒng)的起因；

LoongArch相較MIPS和RISC家族的差異和優(yōu)勢(shì)；坦率講，龍芯在大宗商業(yè)場(chǎng)景的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并不存在，三者同屬于RISC體系，在生態(tài)建設(shè)和技術(shù)擴(kuò)展方面各有千秋，其中誕生了幾個(gè)百億晶體管設(shè)計(jì)的、縱貫前后道生態(tài)的、擁有數(shù)個(gè)垂直品類的ARM更是笑傲江湖；但倘若拋開(kāi)大宗商業(yè)場(chǎng)景不談，回到【自主可控、信創(chuàng)】的主題上，龍芯則是短期在PC和IDC側(cè)唯一可商用的產(chǎn)品，LoongArch也是一個(gè)【有限借鑒了MIPS架構(gòu)、進(jìn)而推翻大量MIPS設(shè)計(jì)、且不受其授權(quán)限制的全新RISC架構(gòu)】，它的優(yōu)勢(shì)可以包括幾個(gè)方面：

1、基于自主可控/可信指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件：從核高基立項(xiàng)開(kāi)始，近15年里出現(xiàn)了兩個(gè)課題方向的爭(zhēng)論：自主和兼容。兼容的好處是有生態(tài)，比如Wintel和AA；但兼容的弊端，就是受制于人，X86是不授權(quán)的，ARM是嚴(yán)格授權(quán)，MIPS是授權(quán)較寬松的（可以超長(zhǎng)期，且可以自主加指令），但追求兼容卻是阻礙了以O(shè)S為代表的自主基礎(chǔ)軟件的發(fā)展，如果走兼容路線，自主可控/可信的軟件必然發(fā)展不起來(lái)，不可能基于敵國(guó)的指令系統(tǒng)建立自主可信生態(tài)，基于X86/ARM/MIPS/RISC-V都不行，即使對(duì)方的社區(qū)即使再小，也會(huì)為可信系統(tǒng)以及自主商業(yè)化帶來(lái)干擾。而LoongArch的第一步是從指令層做到的自主可控+可信。

2、基于BT引擎的兼容性：除了做到自主可控/可信，龍芯還在自主指令系統(tǒng)上做到了基于BT翻譯的兼容性，包括針對(duì)BIOS，內(nèi)核，編譯器和匯編器以及應(yīng)用程序：避免了自主重要還是兼容重要的爭(zhēng)吵。關(guān)于二進(jìn)制翻譯：龍芯基于LoongArch的LinuxOS，其中除了運(yùn)行原生的LoongArch應(yīng)用程序，還能通過(guò)二進(jìn)制翻譯的方式兼容MIPS/RISC-V/ARM/x86這幾種指令集的Linux程序；使用LoongArch翻譯任何指令時(shí)大致流程都是相同，只是隨著指令系統(tǒng)的差異而在效率上也會(huì)有所差異。

• 核心態(tài)方面：硬件能夠支持兩級(jí)地址翻譯，x86到LoongArch+虛地址到物理地址（通過(guò)改造內(nèi)存快表TLB，做到兩級(jí)虛地址映射以減少映射開(kāi)銷，以及減少指令使用/指令翻譯開(kāi)銷，即X86虛地址直接翻譯成龍芯物理地址），面積和延遲開(kāi)銷都不大；以及，地址空間、中斷處理等方面支持OS跨主板和對(duì)升級(jí)后的CPU兼容；

• 用戶態(tài)方面：功能上針對(duì)MIPS、X86、ARM、RISC-V的特征，絕大多數(shù)指令可以做到1對(duì)1或1對(duì)2翻譯；還包括對(duì)X86的EFLAGS支持、RISC-V的原子同步指令支持；以及，ABI方面支持X86/MIPS系統(tǒng)調(diào)用兼容，支持MIPS匯編碼直接翻譯成LoongArch二進(jìn)制。

3、生產(chǎn)級(jí)的向量指令擴(kuò)展：LoongArch原生帶著128和256位向量指令集（并非基于MIPS的MSA指令），已交付流片的LoongArch處理器均具備向量指令功能（128bit向量擴(kuò)展1024條 & 256bit向量擴(kuò)展1018條）。相比RISC-V的向量指令，RVV僅用于研究/教學(xué)和社區(qū)，還沒(méi)有生產(chǎn)級(jí)應(yīng)用實(shí)例；而SIMD指令，只能使用一個(gè)開(kāi)源的Hwacha指令集，本質(zhì)上還是一個(gè)協(xié)處理器，連亂序執(zhí)行流水線也整合不進(jìn)去，更不用說(shuō)做編譯器層的優(yōu)化了。這算是相較于RISC-V的一點(diǎn)微末優(yōu)勢(shì)。

【BTW - 1：LoongArch是自定義全新的指令集，并非基于MIPS的擴(kuò)展】；LoongArch包括基礎(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。相對(duì)于MIPS，摒棄了部分不適合現(xiàn)代CPU的指令，又做了大量和擴(kuò)展，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?，算是有效的減少了編譯結(jié)果的目標(biāo)指令條數(shù)和訪存次數(shù)，效能就提高了。此外，雖然仍為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；但不同的是MIPS只有3種指令格式，而LoongArch重新設(shè)計(jì)了指令格式 ，可用的格式擴(kuò)大到了10種 ，包含3種無(wú)立即數(shù)格式和7種有立即數(shù)格式，重新設(shè)計(jì)的指令格式的優(yōu)勢(shì)是，可以包含更多的指令槽，有利于以后的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。【注：有些指令要長(zhǎng)立即數(shù)，LoongArch最長(zhǎng)的立即數(shù)擴(kuò)增有25位，尤其是跳轉(zhuǎn)，相對(duì)跳轉(zhuǎn)；另外，還十分節(jié)省指令槽，現(xiàn)在定義完2500多條指令，還預(yù)留了一半的一級(jí)指令槽；要知道所謂一級(jí)指令槽就6位，這前6位呢，原來(lái)是有64個(gè)槽，LoongArch只用了32個(gè)，剩下的未來(lái)可以繼續(xù)擴(kuò)展】。

【BTW - 2：有質(zhì)疑LoongArch加了許多用于二進(jìn)制翻譯支持的指令，面積和開(kāi)銷會(huì)很大】；這里辯證的是，你的基礎(chǔ)指令才337條，二進(jìn)制翻譯指令加了176條，這個(gè)面積代價(jià)并不意味著會(huì)增加50%，因?yàn)槲覀冎劳ㄓ肅PU中幾乎80%的面積都在為ALU提供足夠的數(shù)據(jù)和指令，還有多級(jí)的高速緩存cache、轉(zhuǎn)移猜測(cè)表、動(dòng)態(tài)調(diào)度的那么多隊(duì)列，那些微架構(gòu)的東西和開(kāi)銷是跟指令系統(tǒng)無(wú)關(guān)的，都是微架構(gòu)的開(kāi)銷；所以指令系統(tǒng)即使有限度的擴(kuò)大一些也不會(huì)占太多面積和開(kāi)銷。另外在運(yùn)算器里面，80%的面積都在浮點(diǎn)運(yùn)算（浮點(diǎn)運(yùn)算器更占面積），浮點(diǎn)運(yùn)算方面大家基本都差不多是比較完備的，龍芯的二進(jìn)制翻譯主要是涉及定點(diǎn)運(yùn)算和訪存地址的運(yùn)算這兩個(gè)方面；所以從這個(gè)角度上，龍芯的二進(jìn)制翻譯支持，它硬件的面積開(kāi)銷應(yīng)該就是1%-2%，對(duì)延遲的開(kāi)銷也會(huì)很低。

【BTW - 3：關(guān)于BT引擎的知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)】；用胡偉武老師的話講，二進(jìn)制翻譯是一個(gè)向死而生的設(shè)計(jì)；大都為了新架構(gòu)鋪路而臨時(shí)使用，IBM/HP/INTC/Apple/Transmeta/Qcom/NV都在推出新架構(gòu)的時(shí)候用過(guò)這項(xiàng)技術(shù)；70年代迄今一直在發(fā)展，出現(xiàn)數(shù)十種不同的BT翻譯系統(tǒng)和無(wú)數(shù)研究論文。關(guān)于跨指令二進(jìn)制翻譯的知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)，最典型的就是Transmeta與INTC的官司判例【Transmeta CPU特點(diǎn)是可以執(zhí)行X86指令，也是用一個(gè)DBT動(dòng)態(tài)翻譯引擎 來(lái)編譯或模擬X86指令，然后翻譯到它私有的VLIW指令集上；因?yàn)槭且揽寇浖Ｍ瓿?，如果INTC/AMD更新X86指令擴(kuò)展，那全美達(dá)更新軟件棧就行，就不用重新設(shè)計(jì)硬件了，有些性能和功率方面的差異會(huì)導(dǎo)致訪存取指和執(zhí)行有問(wèn)題，全美達(dá)通過(guò)軟件棧也能夠多少去調(diào)節(jié)，甚至硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題和制造瑕疵也可以通過(guò)軟件棧來(lái)應(yīng)急修正一下，比如制造瑕疵導(dǎo)致個(gè)體功耗過(guò)大，那么也可以調(diào)節(jié)一下功耗和核心性能；全美達(dá)最初基本專注在低功耗X86市場(chǎng)，這個(gè)尤其體現(xiàn)當(dāng)時(shí)的多媒體指令的支持比如X87和SSE，那個(gè)年代對(duì)于指令效率相關(guān)于性能的要求不苛刻】，這在Intel看來(lái)，Transmeta并未向Intel購(gòu)買X86授權(quán)，卻正在做X86兼容的CPU；但最終Intel敗訴，Transmeta的DBT引擎在北美商用不違法。只不過(guò)，當(dāng)時(shí)Transmeta是軟件虛擬機(jī)，而LoongArch是硬件譯碼。

【總結(jié)】：LoongArch當(dāng)下的設(shè)計(jì)是指向自主可控、可信的相關(guān)行業(yè)，并達(dá)到核高基設(shè)計(jì)要求；至少中短期的數(shù)年內(nèi)不會(huì)影響大宗PC/IDC商業(yè)市場(chǎng)。全新的自主指令系統(tǒng)的初衷，是旨在發(fā)展我國(guó)自主可控/可信的基礎(chǔ)軟件生態(tài)（含OS內(nèi)核/編譯器/應(yīng)用軟件等），因此所作出的犧牲是，一方面通過(guò)BT/LAT二進(jìn)制翻譯引擎實(shí)現(xiàn)三方應(yīng)用兼容，需要跟隨友商的版本迭代且不斷后進(jìn)的調(diào)整兼容性，消耗指令/面積/開(kāi)銷，就意味著相比竟品總是斷代；以及，由于指向信創(chuàng)、可信行業(yè)，必然沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力與飛騰/HW等廠商分享大宗PC/IDC市場(chǎng)的增長(zhǎng)，兩者生態(tài)建設(shè)方面也不能相提并論；雖然胡老師稱龍芯和LoongArch會(huì)爭(zhēng)取適用更多商業(yè)機(jī)型和應(yīng)用場(chǎng)景，但依然是通過(guò)BT引擎落實(shí)，出了信創(chuàng)/可信行業(yè)之外并沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力；因此唯有祝愿龍芯，首先在信創(chuàng)行業(yè)笑傲江湖。

Morris.Zhang

50?次咨詢

5.0

人工智能優(yōu)秀回答者

31203?次贊同

去咨詢

編輯于 2022-06-27 18:20

Maria Bombardil

先提前說(shuō)明一下，RISC-V 有的設(shè)計(jì)直接抄 MIPS 的。

其次，我今天凌晨在百度貼吧龍芯吧發(fā)過(guò)貼子，基本說(shuō)明了 LoongArch 的特性是什么。

3A5000，另類的大核RISC-V【龍芯吧】_百度貼吧tieba.baidu.com/p/7283439057

LoongArch（LS3A5000）的特性：

1、LoongArch 很多設(shè)計(jì)都來(lái)（děng）源（tóng）于 RISC-V（指令格式和特權(quán)指令不同，拓展指令子集應(yīng)該也不同）。

目前推測(cè)的 LoongArch 指令 (v20210311)github.com/loongson-community/docs/tree/master/unofficial/loongarch#%E7%9B%AE%E5%89%8D%E6%8E%A8%E6%B5%8B%E7%9A%84-loongarch-%E6%8C%87%E4%BB%A4-v20210311

（?

@王雪瑞

?逆向出來(lái)的 LoongArch 基礎(chǔ)指令）

LoongArch 跟 RISC-V 相比，大概可以這么說(shuō)，其能力上就是 RISC-V 的超集。

2、更有不（nèi）靠（bù）譜的消息指出，3A5000 能直接以 RISC-V 的原生指令運(yùn)行（即 LS3A5000 可以在初始化的時(shí)候就變成一個(gè) RV 芯片）。也就是說(shuō)，可以在微碼層面直接翻譯成 RISC-V 的指令來(lái)執(zhí)行（注意，這里說(shuō)的是 LS3A5000，不是 LoongArch，RISC-V 不是 LoongArch 的真子集）。

至于有人說(shuō) LoongArch 和 RISC-V 的操作碼高低位不一樣，大吧?

@王雪瑞

?已經(jīng)答復(fù)了：

chip-red-pill/glm-ucodegithub.com/chip-red-pill/glm-ucode

（胡偉武真的是 Intel 最大的粉絲）

所以這次 3A5000 可以說(shuō)是 RISC-V 中的大核（）

3、拓展指令子集應(yīng)該和 LS3A4000 （即 LoongISA 下的 GS464V）一樣，不排除對(duì) LoongArch 進(jìn)行了優(yōu)化。

4、正在和上游積極適配，但不排除特殊情況。

上游優(yōu)先，邁出第一步loongarch.dev/zh-cn/posts/20200127-binutils-and-autotools/

最后，我想對(duì)認(rèn)為 LoongArch 抄 MIPS/RISC-V 的人說(shuō)：

RISC-V 本身很多設(shè)計(jì)也是延續(xù) MIPS 的（如0號(hào)寄存器），更何況 LoongArch 本身是在特別緊急的情況下做出的指令集架構(gòu)（ISA），把 RISC-V 拿來(lái)為我所用也無(wú)可厚非。畢竟 RISC-V開(kāi)源嘛（）?？上У氖?RISC-V 的一些半殘?jiān)O(shè)計(jì)也被 LoongArch 拿過(guò)去了。。。

相比較于 ARMv9 的 SVE2 的拓展指令子集，會(huì)不會(huì)有類似的設(shè)計(jì)在 LoongArch 上出現(xiàn)，我個(gè)人是不抱有奢望的。

編輯于 2021-04-01 18:28