Godson x86

龙芯 2E 体系
结构概述

currentversion: 0.3

comcat <jiankemeng@gmail.com>

Sun Wah HiTech System Software Ltd.

主要内容

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微体系结构

指令集

存储管理

中断异常

I/O 操作


总述


龙芯处理器主要包括三个系列。龙芯 1 号系列主要面向嵌入
式应用，龙芯 2 号超标量处理器系列主要面向桌面应用，龙
芯 3 号多核处理器系列主要面向服务器和高性能机应用。


龙芯 2E 处理器是 64 位、兼容 MIPS III 指令集的通用 RISC
处理器。


微体系结构


龙芯 2E 技术特点
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64 位、四发射、乱序执行（动态调度、寄存器重命名、转移预测）

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64KB+64KB 一级片内 cache ， 512KB 二级片内 cache

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IEEE 754 兼容浮点部件，专门的媒体支持（实现 MMX 思想）

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双精度浮点运算 40 亿次 / 秒，单精度峰值浮点运算 80 亿次 / 秒

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针对缓冲区溢出攻击的专门安全支持（栈不可执行）

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MIPS III 兼容，支持 LINUX 、 VxWorks 、 WinCE

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90nm COMS 工艺实现， 4700 万晶体管，面积 6.8mmx5.2mm

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最高工作频率 1GHz ， 800MHz 时功耗为 57W


龙芯 2E 微体系结构
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4 发射超标量结构， 9 级乱序执行流水线。分别为取指、预译码、译码、寄存器
重命名、调度、发射、读寄存器、执行、提交。

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每个时钟周期取四条指令进行译码，动态地发射到五个全流水功能部件中。

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采用动态调度、寄存器重命名、转移预测技术以及激进的存储系统设计来提高流
水线效率

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指令乱序执行但指令的提交还是按原来顺序，以保证精确中断和访存顺序执行


提交
五个全流水部件

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必

读寄
调度发射
存器

保留寄存
站器堆

预译码
寄存器
取指转移预译码执行
重命名
测


Pentium IV 微体系结构
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20 级流水线 ( 超流水），目标为获得更高的时钟频率

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3 发射超标量、乱序执行核心

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指令被取后（每次从 L2 取 64 位），首先顺序经过唯一的译码部件（每周期一条
指令）转成定长微操作 (uop) ，然后以每周期 3 条微操作的速度进入乱序执行核
心，提交亦是顺序提交。

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高级动态调度、寄存器重命名、转移预测（预测失败代价大）

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快速执行引擎。 2 个整数 ALU 以时钟频率的 2 倍速度运行

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七个全流水部件 (P III 为 5 个）



Pentium IV 20-stage pipeline


指令集结构 (ISA)


x86 指令集

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x86 指令集包括整数指令、浮点指令、多媒体指令等。其中整数指
令可以分为 4 类：数据传送指令，算术和逻辑运算指令，控制流
指令，字符串操作指令。

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数据传送： mov, push, pop

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算术和逻辑运算： add, sub, inc, dec, and, or, shl, shr, cmp

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控制流： jmp, jz, jnz, call, ret

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字符串操作： movs, lods, stos


龙芯指令集
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龙芯 2E 的指令集由 MIPS III   加上自定义的指令组成。可以分为：访存
指令、计算指令、跳转和分支指令以及协处理器指令 ( 用于操控协处理
器，完成内存管理、异常处理、浮点运算、多媒体运算等 ) 。取每类典
型指令，陈述如下：

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访存指令： lb, sb, lh, sh, lw, sw, ld, sd  (byte, halfword, word,
doubleword)

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计算指令： add, sub, mult, div, and, or,  sll, srl, slt...

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跳转分支指令： j, jr, jal, beq, bne...


龙芯指令集 (MIPS III) 特点
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指令总数较 x86 要少

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没有 push ， pop 等栈操作指令

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没有 movs, lods 等字符串操作指令

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对过程调用的支持方面，没有 ret 指令 , jal/jalr 对应于
call

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总而言之，龙芯的指令集较 x86 精简的多，便于理解、记
忆，是个相对容易实现的指令集。


访存方式

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龙芯要求操作数总在寄存器中。访存必须使用访存指
令，且寻址方式简单。这种精简的结构，是为
load/store 系统结构。

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x86 可以具有功能强大的寻址方式，其中一个操作数可
以位于存储器中，是为 register/memory 系统结构。


指令的内部编码（机器码）
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int add(int x, int y){ return x+y; } 函数的编码比较：

08048354 <add>: 00400670 <add>:
8048354: 55 push %ebp 400674: 03e00008 jr ra
8048355: 89 e5 mov %esp,%ebp 400670: 00621021 addu v0,v1,v0
8048357: 8b 45 0c mov 0xc(%ebp),%eax
804835a: 03 45 08 add 0x8(%ebp),%eax
804835d: 5d pop %ebp
804835e: c3 ret

x86 下指令的机器码，长短不一，
这个能有效减少指令所占用的存储空间。龙芯所有的指令长度一样，都是 32 位

但高效往往带来复杂，一条 add 指令有十几种编
龙芯所用指令集，指令编码简单，所有整数
码，这种多样性往往带来硬件实现上的困难。
指令只有 3 种格式，所有格式中，寄存器
字段都在相同的位置，规则性很强，非常
容易理解、记忆，硬件实现起来也比较容
易。但极强的规则性往往要牺牲掉一些效
率，所有指令的等长，就会浪费一些空
间。

寄存器

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x86 共有 8 个 GPR ： eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, ebp, esp

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龙芯总共有 32 个通用寄存器，编号为： 0~31
Register Name Usage
$0 zero 常量 0
$1 at 用作汇编器的暂时变量
$2$3 v0 v1 函数调用返回值（非浮点）
$4$7 a0 a3 函数调用时前4 个参数（非浮点）
$8$15 t0 t7 暂时变量（子函数调用时无需保存和恢复）
$16$23 s0 s7 寄存器变量（子函数使用前须保存，返回之前须恢复）
$24$25 t8 t9 暂时变量（子函数调用时无需保存和恢复）
$26$27 k0 k1 通常被中断或异常处理程序使用，用于保存一些系统参数
$28 gp 全局指针;一些系统维护这个指针来更方便的存取static 和 extern 变量
$29 sp 堆栈指针
$30 fp 一般用来做帧指针
$31 ra 返回地址


龙芯 2E 逻辑结构

CP0 CR
GPR $
$ 0
$1
0
$1

......
$2
$3
$30
......

$30
$31
CP1 FGR
$
ALU1 ALU2 0
$1

......
FCR0
PC hi lo FCR31
$31

GODSON2E


综述
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龙芯具有简单的寻址模式、数量少的指令、固定长度的指令编
码、大量的通用寄存器，是个典型的 RISC （ Reduced
Instruction Set Computer ）系统结构。这种结构的原则是：通
过指令流水线获得高性能，易于用硬件实现，与高度优化的编译
器的集合提高性能。

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x86 是个典型的 CISC （ Complex Instruction Set Computer ）
结构，特点也很明显：功能强大的寻址模式和指令、高效的指令
编码、较少的寄存器。其设计原则为：简化编译器，减少执行代
码的长度。


存储管理


龙芯 2E 存储管理部件

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具有一个功能完备的存储管理单元 (MMU)

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TLB(Translation Lookaside Buffer): 64 项，每项映射 2 页，全相
联结构

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TLB 的软件接口：系统协处理器 (CP0) 寄存器，与存储管理相关的
具有 12 个


龙芯 2E 下存储管理

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龙芯是个典型的 RISC 结构。 RISC 的哲学是简化硬件设计，让 OS
承担更多的工作。

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MMU 做事很少， TLB 必需由 OS 来维护。

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龙芯的一二级 cache 亦要 OS 来维护其一致性

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另外与 x86 的差别在于，其没有复杂的内存管理模式，没有段的
概念。龙芯仅使用页的概念，支持现代虚拟内存系统，页大小可
以是 4KB~16MB ，但必须是 4 的倍数。龙芯具有 3 种运行级别，
分别为：内核模式、管理模式和用户模式。


中断和异常


龙芯 2E 对中断和异常的支持

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五个固定异常入口，非冷启动、热重启、非屏蔽中断、 cache 错
误、 TLB 重填、 xTLB 重填都会进入最后一个入口。

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CP0 之 CAUSE 寄存器 ExcCode 位 (6:2) 。硬件设置，描述异常
原因。中断控制器有中断请求时， ExcCode 为 0 。

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CP0 之 CAUSE 寄存器 IP 位 (15:8, IP7IP0) 。硬件设置，描述具
体中断来自哪个控制器，一般 IP5 置位表示 8259A 。

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中断控制器的控制寄存器映射带地址空间，由 OS 读取 ISR ，获得
具体是那个硬件的请求，并响应之。


结合 OS 龙芯中断异常处理结构


I/O 访问


龙芯 2E 下 I/O 设备访问

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在 x86 中， I/O 空间用专门的指令访问 (in, out) ， PCI 设备的内
存空间和物理内存空间是相同。

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龙芯下，则将 I/O 设备映射到地址空间，使用访存指令访问。 PCI
设备的地址空间和 CPU 所见的物理内存地址空间往往也不一样。


谢谢！
RISC Architecture


Godson x86

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