向 LoongArch 架构移植 Haskell GHC 编译器

现如今，我们使用的计算机几乎都是 X86 架构的，Intel 和 AMD 几乎是普通消费者购买新计算机时的唯二选择，可能会有少数的 Apple 用户使用了配备 Apple Silicon 处理器的 Arm Mac，除此之外，似乎就没有什么别的体系架构可供选择了。但实际上，无论是历史还是现在，指令集的江湖都不是如此平静的，过去有 MIPS 和 PowerPC 等等在游戏机和服务器等领域挑战 X86 的地位，近有 RISCV 和 LoongArch 等试图在嵌入式领域开辟新的领域，而这些挑战者们都有一个共同点——都是 RISC（精简指令集架构）处理器。

何谓 RISC?

要了解什么是 RISC，首先就要清楚什么是 CISC，因为 RISC 的概念正是从 CISC 延申出来的。上世纪 70 年代，Intel 推出了第一颗 X86 处理器——Intel 8086，作为 X86 系列的始祖，它的减配版本（地址线位数砍半）8088 被 IBM 选中，作为 IBM PC 的处理器，从此开启了个人电脑和兼容机的传奇，同一时期，Apple 也选中了摩托罗拉的 68000 CPU 作为第一台 Macintosh 的处理器，用来支持它引入的图形界面。

8086 与 68000 看似大相径庭，但两者的共同点就在于它们都是复杂指令集处理器（CISC），由于当时储存器的价格普遍较高，编译器也还不够成熟，因此当时的软件开发者往往倾向于手工编写汇编指令，受此影响早期处理器的指令设计普遍比较复杂，并且采用了变长指令字的设计，用以支持各种复杂的操作，这样可以减小程序的体积和程序员编写指令的工作量，例如在 X86 中，就可以直接使用loop指令编写循环，而无需手动编写跳转等指令。

然而，随着时间踏入 90 年代，CISC 处理器暴露出了各种问题：一方面，过于复杂的指令集不利于引入流水线的设计，造成性能受到影响；另一方面，程序规模不断增大，已经很难靠程序员去编写所有汇编代码了，编译器也逐渐走向成熟，然而它们还是很难利用上 CISC 指令集上各种复杂的指令。受此启发，人们搞出了精简指令处理器（RISC），正如其名，它的指令相比 CISC 要简单很多，一般有如下的特点：

1. 指令字定长，通常是 32 位长，方便解码器的设计
2. 通用寄存器较多，例如 ARM 有 16 个寄存器，而 MIPS 有 32 个寄存器，减少访存带来的性能瓶颈
3. 访存由单独的指令完成，普通指令只会对寄存器和立即数进行操作，简化了处理器的设计
4. 指令数量较少，语义单一，方便编译器的实现

这些特点都给当时的 RISC 处理器带来了巨幅的性能提升，RISC 处理器一时风光无两，在游戏机和服务器等各种领域全面开花，就连身为 Wintel 联盟一员的微软都为 MIPS 处理器推出了 Windows NT for RISC 用来兼容当时在高端工作站领域攻城略地的 MIPS 处理器。

不过，正如《计算机体系结构》一书中所言，如今 RISC 与 CISC 的区别已经日渐消弭了，甚至很多 RISC 架构的指令集都不比早期 CISC 更简单了：例如 PowerPC 的寄存器窗口和 MIPS 的延迟槽设计，有些甚至成为了性能提升的瓶颈，而传统的 CISC 指令集则通过引入 uop 的方式在执行阶段 RISC 化，话虽如此，新的指令集还是不断出现，并且往往还是会采用 RISC 简化的思想——例如 RISC-V 还有笔者本次要介绍的 LoongArch。

LoongArch 简介

龙芯架构 LoongArch 是一种精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computing，简称 RISC）风格的指令系统架构。

这是《龙芯架构参考手册 卷一：基础架构》中对 LoongArch 给出的定义，LoongArch 是龙芯中科公司设计的一种 CPU 指令集架构，2020 年对外公开其存在，2021 年起公开出货，在其 3A5000 CPU 产品开始搭载。龙芯之前的产品采用的是 MIPS 指令集，而随着时代的变迁，MIPS 指令集的实控人几经易手，就连 MIPS 公司自己都在 2020 年宣布放弃 MIPS，转投 RISC-V 阵营，而龙芯的选择则是另起炉灶——独立开发 ISA。

当然，任何新指令集逃不过的一个问题就是生态，毕竟 X86 指令集能够在今天仍然保持第一的占有量，靠的就是其他指令集无法比拟的生态鸿沟，无数的软件都是为了 X86 编写的，并且很难简单移植到其他的平台上，更遑论无数的闭源商业软件了。而新架构要加强自身的生态，基本只有两条路可以走：模拟（兼容层）和移植，笔者目前手头就有一台 3A5000 开发机，并且正在从事有关软件移植的工作。

移植指北

那么，要如何让软件跑在 LoongArch 架构上呢？实际上，对于大多数软件而言，并不需要做任何修改，在 C 编译器，JRE 运行时，.NET 环境等基础软件基本完成适配之后，只需要将代码重新编译（Java 等甚至不需要编译）运行即可，但对于一些依赖于底层汇编实现的软件，则需要手动进行移植。

笔者在今年年初完成了对 Haskell GHC 编译器向 LoongArch 架构的移植，并在 LLVM 和 GHC 开源社区中顺利将移植代码合并进了主线（虽然还差点闹出点乱子），下面就以我当时的移植过程为例，展示将一个依赖于底层体系架构细节的应用移植到新架构上，都需要做哪些改动。

不过要注意的是，随着 LLVM16 和 GHC 9.6.1 的发布，相关代码已经集成进了主线源码中，因此无需修改源码即可直接进行编译。

获取源码

首先，使用以下命令将 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 版本编译

根据 CLFS 文档中的指南配置好交叉工具链后，找到源码目录中的ghc/m4/ghc_unregisteried.m4文件并将其中的loongarch64字段删除。

将ghc/libffi-tarballs和ghc/libraries/ghc-bignum/gmp/gmp-tarballs中libffi和gmp的压缩包替换为支持 LoongArch 的版本。

之后回到GHC根目录，输入：

./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，输入如下命令进行编译。

hadrian/build -j4

如果在编译中碰到缺少ncurses库的报错，请自行编译并将其安装至交叉编译工具链中。

编译完成后，输入：

hadrian/build binary-dist

打包二进制分发包，至此 GHC Unregisterised 版本编译完成，可以将其拷贝至 LoongArch 架构机器安装使用。

GHC Registerised 编译

GHC Unregistered 即可满足大多数情况下的使用需要，但如果需要更高的运行效率、更完善的库支持和更完整的功能，则需要编译 GHC Registerised 版本，由于该版本需要 LLVM 后端的支持，因此需要首先编译支持 LoongArch 架构的 LLVM16。

注：以下操作均在 LoongArch 机器上完成。

首先需要安装之前编译完成的 GHC Unregisterised 版本，将 tar 包加压缩之后，进入目录并输入如下指令安装：

./configure
hadrian/build install

之后在 LLVM 官方网站或 Github Release 页面下载 LLVM16 源码，解压至本地之后使用如下命令编译安装：

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 因此需要对进行如下修改：

• 将 ghc/llvm-passes 的内容修改为

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

• 将 ghc/compiler/GHC/Driver/Pipeline/Execute.hs 第 902 行中的-tbaa删除
• 在 ghc/utils/genapply/Main.hs 中添加 #undef UnregisterisedCompiler

由于 GHC 在最新的主线移除了对 make 工具的支持，因此我们还需要编译并安装 cabal-install。请自行参考 Cabal Bootstrap 指南进行编译，完成编译后，请注意需要执行一次cabal update之后即可进入 GHC 根目录并使用以下指令编译安装 GHC Registerised 版：

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

以上，就是一次“简单”的移植过程。

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