現(xiàn)如今，我們使用的計(jì)算機(jī)幾乎都是 X86 架構(gòu)的，Intel 和 AMD 幾乎是普通消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)新計(jì)算機(jī)時(shí)的唯二選擇，可能會(huì)有少數(shù)的 Apple 用戶(hù)使用了配備 Apple Silicon 處理器的 Arm Mac，除此之外，似乎就沒(méi)有什么別的體系架構(gòu)可供選擇了。但實(shí)際上，無(wú)論是歷史還是現(xiàn)在，指令集的江湖都不是如此平靜的，過(guò)去有 MIPS 和 PowerPC 等等在游戲機(jī)和服務(wù)器等領(lǐng)域挑戰(zhàn) X86 的地位，近有 RISCV 和 LoongArch 等試圖在嵌入式領(lǐng)域開(kāi)辟新的領(lǐng)域，而這些挑戰(zhàn)者們都有一個(gè)共同點(diǎn)——都是 RISC（精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)）處理器。

何謂 RISC?

要了解什么是 RISC，首先就要清楚什么是 CISC，因?yàn)?RISC 的概念正是從 CISC 延申出來(lái)的。上世紀(jì) 70 年代，Intel 推出了第一顆 X86 處理器——Intel 8086，作為 X86 系列的始祖，它的減配版本（地址線(xiàn)位數(shù)砍半）8088 被 IBM 選中，作為 IBM PC 的處理器，從此開(kāi)啟了個(gè)人電腦和兼容機(jī)的傳奇，同一時(shí)期，Apple 也選中了摩托羅拉的 68000 CPU 作為第一臺(tái) Macintosh 的處理器，用來(lái)支持它引入的圖形界面。

編輯切換為居中

8086 與 68000 看似大相徑庭，但兩者的共同點(diǎn)就在于它們都是復(fù)雜指令集處理器（CISC），由于當(dāng)時(shí)儲(chǔ)存器的價(jià)格普遍較高，編譯器也還不夠成熟，因此當(dāng)時(shí)的軟件開(kāi)發(fā)者往往傾向于手工編寫(xiě)匯編指令，受此影響早期處理器的指令設(shè)計(jì)普遍比較復(fù)雜，并且采用了變長(zhǎng)指令字的設(shè)計(jì)，用以支持各種復(fù)雜的操作，這樣可以減小程序的體積和程序員編寫(xiě)指令的工作量，例如在 X86 中，就可以直接使用loop指令編寫(xiě)循環(huán)，而無(wú)需手動(dòng)編寫(xiě)跳轉(zhuǎn)等指令。

然而，隨著時(shí)間踏入 90 年代，CISC 處理器暴露出了各種問(wèn)題：一方面，過(guò)于復(fù)雜的指令集不利于引入流水線(xiàn)的設(shè)計(jì)，造成性能受到影響；另一方面，程序規(guī)模不斷增大，已經(jīng)很難靠程序員去編寫(xiě)所有匯編代碼了，編譯器也逐漸走向成熟，然而它們還是很難利用上 CISC 指令集上各種復(fù)雜的指令。受此啟發(fā)，人們搞出了精簡(jiǎn)指令處理器（RISC），正如其名，它的指令相比 CISC 要簡(jiǎn)單很多，一般有如下的特點(diǎn)：

1. 指令字定長(zhǎng)，通常是 32 位長(zhǎng)，方便解碼器的設(shè)計(jì)

2. 通用寄存器較多，例如 ARM 有 16 個(gè)寄存器，而 MIPS 有 32 個(gè)寄存器，減少訪(fǎng)存帶來(lái)的性能瓶頸

3. 訪(fǎng)存由單獨(dú)的指令完成，普通指令只會(huì)對(duì)寄存器和立即數(shù)進(jìn)行操作，簡(jiǎn)化了處理器的設(shè)計(jì)

4. 指令數(shù)量較少，語(yǔ)義單一，方便編譯器的實(shí)現(xiàn)

這些特點(diǎn)都給當(dāng)時(shí)的 RISC 處理器帶來(lái)了巨幅的性能提升，RISC 處理器一時(shí)風(fēng)光無(wú)兩，在游戲機(jī)和服務(wù)器等各種領(lǐng)域全面開(kāi)花，就連身為 Wintel 聯(lián)盟一員的微軟都為 MIPS 處理器推出了 Windows NT for RISC 用來(lái)兼容當(dāng)時(shí)在高端工作站領(lǐng)域攻城略地的 MIPS 處理器。

不過(guò)，正如《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》一書(shū)中所言，如今 RISC 與 CISC 的區(qū)別已經(jīng)日漸消弭了，甚至很多 RISC 架構(gòu)的指令集都不比早期 CISC 更簡(jiǎn)單了：例如 PowerPC 的寄存器窗口和 MIPS 的延遲槽設(shè)計(jì)，有些甚至成為了性能提升的瓶頸，而傳統(tǒng)的 CISC 指令集則通過(guò)引入 uop 的方式在執(zhí)行階段 RISC 化，話(huà)雖如此，新的指令集還是不斷出現(xiàn)，并且往往還是會(huì)采用 RISC 簡(jiǎn)化的思想——例如 RISC-V 還有筆者本次要介紹的 LoongArch。

LoongArch 簡(jiǎn)介

龍芯架構(gòu) LoongArch 是一種精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（Reduced Instruction Set Computing，簡(jiǎn)稱(chēng) RISC）風(fēng)格的指令系統(tǒng)架構(gòu)。

這是《龍芯架構(gòu)參考手冊(cè) 卷一：基礎(chǔ)架構(gòu)》中對(duì) LoongArch 給出的定義，LoongArch 是龍芯中科公司設(shè)計(jì)的一種 CPU 指令集架構(gòu)，2020 年對(duì)外公開(kāi)其存在，2021 年起公開(kāi)出貨，在其 3A5000 CPU 產(chǎn)品開(kāi)始搭載。龍芯之前的產(chǎn)品采用的是 MIPS 指令集，而隨著時(shí)代的變遷，MIPS 指令集的實(shí)控人幾經(jīng)易手，就連 MIPS 公司自己都在 2020 年宣布放棄 MIPS，轉(zhuǎn)投 RISC-V 陣營(yíng)，而龍芯的選擇則是另起爐灶——獨(dú)立開(kāi)發(fā) ISA。

當(dāng)然，任何新指令集逃不過(guò)的一個(gè)問(wèn)題就是生態(tài)，畢竟 X86 指令集能夠在今天仍然保持第一的占有量，靠的就是其他指令集無(wú)法比擬的生態(tài)鴻溝，無(wú)數(shù)的軟件都是為了 X86 編寫(xiě)的，并且很難簡(jiǎn)單移植到其他的平臺(tái)上，更遑論無(wú)數(shù)的閉源商業(yè)軟件了。而新架構(gòu)要加強(qiáng)自身的生態(tài)，基本只有兩條路可以走：模擬（兼容層）和移植，筆者目前手頭就有一臺(tái) 3A5000 開(kāi)發(fā)機(jī)，并且正在從事有關(guān)軟件移植的工作。

移植指北

那么，要如何讓軟件跑在 LoongArch 架構(gòu)上呢？實(shí)際上，對(duì)于大多數(shù)軟件而言，并不需要做任何修改，在 C 編譯器，JRE 運(yùn)行時(shí)，.NET 環(huán)境等基礎(chǔ)軟件基本完成適配之后，只需要將代碼重新編譯（Java 等甚至不需要編譯）運(yùn)行即可，但對(duì)于一些依賴(lài)于底層匯編實(shí)現(xiàn)的軟件，則需要手動(dòng)進(jìn)行移植。

筆者在今年年初完成了對(duì) Haskell GHC 編譯器向 LoongArch 架構(gòu)的移植，并在 LLVM 和 GHC 開(kāi)源社區(qū)中順利將移植代碼合并進(jìn)了主線(xiàn)（雖然還差點(diǎn)鬧出點(diǎn)亂子），下面就以我當(dāng)時(shí)的移植過(guò)程為例，展示將一個(gè)依賴(lài)于底層體系架構(gòu)細(xì)節(jié)的應(yīng)用移植到新架構(gòu)上，都需要做哪些改動(dòng)。

不過(guò)要注意的是，隨著 LLVM16 和 GHC 9.6.1 的發(fā)布，相關(guān)代碼已經(jīng)集成進(jìn)了主線(xiàn)源碼中，因此無(wú)需修改源碼即可直接進(jìn)行編譯。

獲取源碼

首先，使用以下命令將 GHC LoongArch 分支克隆至本地

git clone -b loongarch-patch --recurse-submodules https://gitlab.haskell.org/lrzlin/ghc.git

GHC Unregisterised 版本編譯

根據(jù) CLFS 文檔中的指南配置好交叉工具鏈后，找到源碼目錄中的ghc/m4/ghc_unregisteried.m4文件并將其中的loongarch64字段刪除。

將ghc/libffi-tarballs和ghc/libraries/ghc-bignum/gmp/gmp-tarballs中l(wèi)ibffi和gmp的壓縮包替換為支持 LoongArch 的版本。

之后回到GHC根目錄，輸入：

./boot ./configure CC=$SYSDIR/cross-tools/bin/loongarch64-unknown-linux-gnu-gcc --target=loongarch64-unknown-linux-gnu LD=$SYSDIR/cross-tools/bin/loongarch64-unknown-linux-gnu-ld

等待配置完成后，輸入如下命令進(jìn)行編譯。

hadrian/build -j4

如果在編譯中碰到缺少ncurses庫(kù)的報(bào)錯(cuò)，請(qǐng)自行編譯并將其安裝至交叉編譯工具鏈中。

編譯完成后，輸入：

hadrian/build binary-dist

打包二進(jìn)制分發(fā)包，至此 GHC Unregisterised 版本編譯完成，可以將其拷貝至 LoongArch 架構(gòu)機(jī)器安裝使用。

GHC Registerised 編譯

GHC Unregistered 即可滿(mǎn)足大多數(shù)情況下的使用需要，但如果需要更高的運(yùn)行效率、更完善的庫(kù)支持和更完整的功能，則需要編譯 GHC Registerised 版本，由于該版本需要 LLVM 后端的支持，因此需要首先編譯支持 LoongArch 架構(gòu)的 LLVM16。

注：以下操作均在 LoongArch 機(jī)器上完成。

首先需要安裝之前編譯完成的 GHC Unregisterised 版本，將 tar 包加壓縮之后，進(jìn)入目錄并輸入如下指令安裝：

./configure hadrian/build install

之后在 LLVM 官方網(wǎng)站或 Github Release 頁(yè)面下載 LLVM16 源碼，解壓至本地之后使用如下命令編譯安裝：

cmake .. -G Ninja -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release \ ? ? ? ? ? ? ?-DBUILD_SHARED_LIBS:BOOL=OFF -DLLVM_ENABLE_LIBCXX:BOOL=OFF \ ? ? ? ? ? ? ?-DLLVM_LIBDIR_SUFFIX=64 \ ? ? ? ? ? ? ?-DCMAKE_C_FLAGS="-DNDEBUG" -DCMAKE_CXX_FLAGS="-DNDEBUG" \ ? ? ? ? ? ? ?-DLLVM_BUILD_RUNTIME:BOOL=ON -DLLVM_ENABLE_RTTI:BOOL=ON \ ? ? ? ? ? ? ?-DLLVM_ENABLE_ZLIB:BOOL=ON -DLLVM_ENABLE_FFI:BOOL=ON \ ? ? ? ? ? ? ?-DLLVM_ENABLE_TERMINFO:BOOL=OFF \ ? ? ? ? ? ? ?-DLLVM_BUILD_LLVM_DYLIB:BOOL=ON \ ? ? ? ? ? ? ?-DLLVM_LINK_LLVM_DYLIB:BOOL=ON -DLLVM_BUILD_EXTERNAL_COMPILER_RT:BOOL=ON \ ? ? ? ? ? ? ?-DLLVM_INSTALL_TOOLCHAIN_ONLY:BOOL=OFF \ ? ? ? ? ? ? ?-DLLVM_TARGET_ARCH=LoongArch -DLLVM_DEFAULT_TARGET_TRIPLE=loongarch64-unknown-linux-gnu ninja && ninja install

由于 GHC 尚不支持最新的 LLVM 16 版本 因此需要對(duì)進(jìn)行如下修改：

• 將 ghc/llvm-passes 的內(nèi)容修改為

[ (0, "-passes=module(default<O0>,function(mem2reg),globalopt,function(lower-expect))"), (1, "-passes=module(default<O1>,globalopt)"), (2, "-passes=module(default<O2>)") ]

• 將 ghc/compiler/GHC/Driver/Pipeline/Execute.hs 第 902 行中的-tbaa刪除

• 在 ghc/utils/genapply/Main.hs 中添加 #undef UnregisterisedCompiler

由于 GHC 在最新的主線(xiàn)移除了對(duì) make 工具的支持，因此我們還需要編譯并安裝 cabal-install。請(qǐng)自行參考 Cabal Bootstrap 指南進(jìn)行編譯，完成編譯后，請(qǐng)注意需要執(zhí)行一次cabal update之后即可進(jìn)入 GHC 根目錄并使用以下指令編譯安裝 GHC Registerised 版：

./boot ./configure hadrian/build -j4 hadrian/build install

以上，就是一次“簡(jiǎn)單”的移植過(guò)程。

參考文章： https://bbs.loongarch.org/d/150-ghc-loongarch https://blog.xen0n.name/posts/tinkering/loongarch-faq/