| .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 |
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| .. include:: ../disclaimer-zh_CN.rst |
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| :Original: Documentation/loongarch/introduction.rst |
| :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 |
| 包括一个精简32位版（LA32R）、一个标准32位版（LA32S）、一个64位版（LA64）。 |
| 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 |
| 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 |
| 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） |
| 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， |
| LA64中每个寄存器为64位宽。 ``$r0`` 的内容总是固定为0，而其他寄存器在体系结构层面 |
| 没有特殊功能。（ ``$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 |
| :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 |
| ================= =============== =================== ========== |
| ``$r0`` ``$zero`` 常量0 不使用 |
| ``$r1`` ``$ra`` 返回地址 否 |
| ``$r2`` ``$tp`` TLS/线程信息指针 不使用 |
| ``$r3`` ``$sp`` 栈指针 是 |
| ``$r4``-``$r11`` ``$a0``-``$a7`` 参数寄存器 否 |
| ``$r4``-``$r5`` ``$v0``-``$v1`` 返回值 否 |
| ``$r12``-``$r20`` ``$t0``-``$t8`` 临时寄存器 否 |
| ``$r21`` ``$u0`` 每CPU变量基地址 不使用 |
| ``$r22`` ``$fp`` 帧指针 是 |
| ``$r23``-``$r31`` ``$s0``-``$s8`` 静态寄存器 是 |
| ================= =============== =================== ========== |
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| .. note:: |
| 注意： ``$r21`` 寄存器在ELF psABI中保留未使用，但是在Linux内核用于保 |
| 存每CPU变量基地址。该寄存器没有ABI命名，不过在内核中称为 ``$u0`` 。在 |
| 一些遗留代码中有时可能见到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ，它们是 ``$a0`` 和 |
| ``$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 |
| 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 |
| ================= ================== =================== ========== |
| ``$f0``-``$f7`` ``$fa0``-``$fa7`` 参数寄存器 否 |
| ``$f0``-``$f1`` ``$fv0``-``$fv1`` 返回值 否 |
| ``$f8``-``$f23`` ``$ft0``-``$ft15`` 临时寄存器 否 |
| ``$f24``-``$f31`` ``$fs0``-``$fs7`` 静态寄存器 是 |
| ================= ================== =================== ========== |
| |
| .. note:: |
| 注意：在一些遗留代码中有时可能见到 ``$v0`` 和 ``$v1`` ，它们是 |
| ``$a0`` 和 ``$a1`` 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）， |
| - 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， ``$x0`` 的 |
| 低128位与 ``$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 |
| ================= ==================================== ========== |
| 0x0 当前模式信息 CRMD |
| 0x1 异常前模式信息 PRMD |
| 0x2 扩展部件使能 EUEN |
| 0x3 杂项控制 MISC |
| 0x4 异常配置 ECFG |
| 0x5 异常状态 ESTAT |
| 0x6 异常返回地址 ERA |
| 0x7 出错(Faulting)虚拟地址 BADV |
| 0x8 出错(Faulting)指令字 BADI |
| 0xC 异常入口地址 EENTRY |
| 0x10 TLB索引 TLBIDX |
| 0x11 TLB表项高位 TLBEHI |
| 0x12 TLB表项低位0 TLBELO0 |
| 0x13 TLB表项低位1 TLBELO1 |
| 0x18 地址空间标识符 ASID |
| 0x19 低半地址空间页全局目录基址 PGDL |
| 0x1A 高半地址空间页全局目录基址 PGDH |
| 0x1B 页全局目录基址 PGD |
| 0x1C 页表遍历控制低半部分 PWCL |
| 0x1D 页表遍历控制高半部分 PWCH |
| 0x1E STLB页大小 STLBPS |
| 0x1F 缩减虚地址配置 RVACFG |
| 0x20 CPU编号 CPUID |
| 0x21 特权资源配置信息1 PRCFG1 |
| 0x22 特权资源配置信息2 PRCFG2 |
| 0x23 特权资源配置信息3 PRCFG3 |
| 0x30+n (0≤n≤15) 数据保存寄存器 SAVEn |
| 0x40 定时器编号 TID |
| 0x41 定时器配置 TCFG |
| 0x42 定时器值 TVAL |
| 0x43 计时器补偿 CNTC |
| 0x44 定时器中断清除 TICLR |
| 0x60 LLBit相关控制 LLBCTL |
| 0x80 实现相关控制1 IMPCTL1 |
| 0x81 实现相关控制2 IMPCTL2 |
| 0x88 TLB重填异常入口地址 TLBRENTRY |
| 0x89 TLB重填异常出错(Faulting)虚地址 TLBRBADV |
| 0x8A TLB重填异常返回地址 TLBRERA |
| 0x8B TLB重填异常数据保存 TLBRSAVE |
| 0x8C TLB重填异常表项低位0 TLBRELO0 |
| 0x8D TLB重填异常表项低位1 TLBRELO1 |
| 0x8E TLB重填异常表项高位 TLBEHI |
| 0x8F TLB重填异常前模式信息 TLBRPRMD |
| 0x90 机器错误控制 MERRCTL |
| 0x91 机器错误信息1 MERRINFO1 |
| 0x92 机器错误信息2 MERRINFO2 |
| 0x93 机器错误异常入口地址 MERRENTRY |
| 0x94 机器错误异常返回地址 MERRERA |
| 0x95 机器错误异常数据保存 MERRSAVE |
| 0x98 高速缓存标签 CTAG |
| 0x180+n (0≤n≤3) 直接映射配置窗口n DMWn |
| 0x200+2n (0≤n≤31) 性能监测配置n PMCFGn |
| 0x201+2n (0≤n≤31) 性能监测计数器n PMCNTn |
| 0x300 内存读写监视点整体控制 MWPC |
| 0x301 内存读写监视点整体状态 MWPS |
| 0x310+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置1 MWPnCFG1 |
| 0x311+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置2 MWPnCFG2 |
| 0x312+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置3 MWPnCFG3 |
| 0x313+8n (0≤n≤7) 内存读写监视点n配置4 MWPnCFG4 |
| 0x380 取指监视点整体控制 FWPC |
| 0x381 取指监视点整体状态 FWPS |
| 0x390+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置1 FWPnCFG1 |
| 0x391+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置2 FWPnCFG2 |
| 0x392+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置3 FWPnCFG3 |
| 0x393+8n (0≤n≤7) 取指监视点n配置4 FWPnCFG4 |
| 0x500 调试寄存器 DBG |
| 0x501 调试异常返回地址 DERA |
| 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 |
| =========== ========================== |
| 2R Opcode + Rj + Rd |
| 3R Opcode + Rk + Rj + Rd |
| 4R Opcode + Ra + Rk + Rj + Rd |
| 2RI8 Opcode + I8 + Rj + Rd |
| 2RI12 Opcode + I12 + Rj + Rd |
| 2RI14 Opcode + I14 + Rj + Rd |
| 2RI16 Opcode + I16 + Rj + Rd |
| 1RI21 Opcode + I21L + Rj + I21H |
| 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 |
| 4R-type格式特有的附加操作数（寄存器）。I8/I12/I16/I21/I26分别是8位/12位/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 |
| 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 |
| :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 |
| SLT SLTU SLTI SLTUI |
| AND OR NOR XOR ANDN ORN ANDI ORI XORI |
| MUL.W MULH.W MULH.WU DIV.W DIV.WU MOD.W MOD.WU |
| MUL.D MULH.D MULH.DU DIV.D DIV.DU MOD.D MOD.DU |
| PCADDI PCADDU12I PCADDU18I |
| 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 |
| 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 |
| BYTEPICK.W BYTEPICK.D BSTRINS.W BSTRINS.D BSTRPICK.W BSTRPICK.D |
| REVB.2H REVB.4H REVB.2W REVB.D REVH.2W REVH.D BITREV.4B BITREV.8B BITREV.W BITREV.D |
| 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 |
| LDX.B LDX.BU LDX.H LDX.HU LDX.W LDX.WU LDX.D STX.B STX.H STX.W STX.D |
| LDPTR.W LDPTR.D STPTR.W STPTR.D |
| 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 |
| AMSWAP.W AMSWAP.D AMADD.W AMADD.D AMAND.W AMAND.D AMOR.W AMOR.D AMXOR.W AMXOR.D |
| 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 |
| ASRTLE.D ASRTGT.D |
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| 9. 特权指令:: |
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| CSRRD CSRWR CSRXCHG |
| IOCSRRD.B IOCSRRD.H IOCSRRD.W IOCSRRD.D IOCSRWR.B IOCSRWR.H IOCSRWR.W IOCSRWR.D |
| CACOP TLBP(TLBSRCH) TLBRD TLBWR TLBFILL TLBCLR TLBFLUSH INVTLB LDDIR LDPTE |
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| 虚拟内存 |
| ======== |
| |
| 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） |
| 之间有简单的映射关系:: |
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| VA = PA + 固定偏移 |
| |
| 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 |
| 表中。LoongArch的TLB包括一个全相联的MTLB（Multiple Page Size TLB，多样页大小TLB） |
| 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 |
| ============ =========================== =========================== |
| ``UVRANGE`` ``0x00000000 - 0x7FFFFFFF`` 分页映射, 可缓存, PLV0~3 |
| ``KPRANGE0`` ``0x80000000 - 0x9FFFFFFF`` 直接映射, 非缓存, PLV0 |
| ``KPRANGE1`` ``0xA0000000 - 0xBFFFFFFF`` 直接映射, 可缓存, PLV0 |
| ``KVRANGE`` ``0xC0000000 - 0xFFFFFFFF`` 分页映射, 可缓存, PLV0 |
| ============ =========================== =========================== |
| |
| 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 |
| 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 |
| 是0x80001000，而其可缓存直接映射虚拟地址是0xA0001000。 |
| |
| 缺省状态下，LA64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 |
| ============ ====================== ================================== |
| ``XUVRANGE`` ``0x0000000000000000 - 分页映射, 可缓存, PLV0~3 |
| 0x3FFFFFFFFFFFFFFF`` |
| ``XSPRANGE`` ``0x4000000000000000 - 直接映射, 可缓存 / 非缓存, PLV0 |
| 0x7FFFFFFFFFFFFFFF`` |
| ``XKPRANGE`` ``0x8000000000000000 - 直接映射, 可缓存 / 非缓存, PLV0 |
| 0xBFFFFFFFFFFFFFFF`` |
| ``XKVRANGE`` ``0xC000000000000000 - 分页映射, 可缓存, PLV0 |
| 0xFFFFFFFFFFFFFFFF`` |
| ============ ====================== ================================== |
| |
| 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 |
| 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 |
| 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 |
| （在XKPRANGE中）是0x80000000_00001000，其一致可缓存直接映射虚拟地址（在XKPRANGE中） |
| 是0x90000000_00001000，而其弱序非缓存直接映射虚拟地址（在XKPRANGE中）是0xA0000000_ |
| 00001000。 |
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| Loongson与LoongArch的关系 |
| ========================= |
| |
| 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 |
| 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， |
| 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 |
| 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 |
| 为例：龙芯3A1000/3B1500/3A2000/3A3000/3A4000都是兼容MIPS的，而龙芯3A5000（以及将 |
| 来的型号）都是基于LoongArch的。 |
| |
| .. _loongarch-references-zh_CN: |
| |
| 参考文献 |
| ======== |
| |
| Loongson官方网站（龙芯中科技术股份有限公司）： |
| |
| http://www.loongson.cn/ |
| |
| Loongson与LoongArch的开发者网站（软件与文档资源）： |
| |
| http://www.loongnix.cn/ |
| |
| https://github.com/loongson/ |
| |
| https://loongson.github.io/LoongArch-Documentation/ |
| |
| LoongArch指令集架构的文档： |
| |
| https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.00-CN.pdf （中文版） |
| |
| https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-Vol1-v1.00-EN.pdf （英文版） |
| |
| LoongArch的ELF psABI文档： |
| |
| https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v1.00-CN.pdf （中文版） |
| |
| https://github.com/loongson/LoongArch-Documentation/releases/latest/download/LoongArch-ELF-ABI-v1.00-EN.pdf （英文版） |
| |
| Loongson与LoongArch的Linux内核源码仓库： |
| |
| https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/chenhuacai/linux-loongson.git |
