向 LoongArch 架構移植 Haskell GHC 編譯器

現如今，我們使用的計算機幾乎都是 X86 架構的，Intel 和 AMD 幾乎是普通消費者購買新計算機時的唯二選擇，可能會有少數的 Apple 用戶使用了配備 Apple Silicon 處理器的 Arm Mac，除此之外，似乎就沒有什麼別的體系架構可供選擇了。但實際上，無論是歷史還是現在，指令集的江湖都不是如此平靜的，過去有 MIPS 和 PowerPC 等等在遊戲機和伺服器等領域挑戰 X86 的地位，近有 RISCV 和 LoongArch 等試圖在嵌入式領域開闢新的領域，而這些挑戰者們都有一個共同點——都是 RISC（精簡指令集架構）處理器。

何謂 RISC?

要了解什麼是 RISC，首先就要清楚什麼是 CISC，因為 RISC 的概念正是從 CISC 延申出來的。上世紀 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（地址線位數砍半）8088 被 IBM 選中，作為 IBM PC 的處理器，從此開啟了個人電腦和兼容機的傳奇，同一時期，Apple 也選中了摩托羅拉的 68000 CPU 作為第一台 Macintosh 的處理器，用來支持它引入的圖形界面。

8086 與 68000 看似大相徑庭，但兩者的共同點就在於它們都是複雜指令集處理器（CISC），由於當時儲存器的價格普遍較高，編譯器也還不夠成熟，因此當時的軟體開發者往往傾向於手工編寫彙編指令，受此影響早期處理器的指令設計普遍比較複雜，並且採用了變長指令字的設計，用以支持各種複雜的操作，這樣可以減小程序的體積和程序員編寫指令的工作量，例如在 X86 中，就可以直接使用loop指令編寫循環，而無需手動編寫跳轉等指令。

然而，隨著時間踏入 90 年代，CISC 處理器暴露出了各種問題：一方面，過於複雜的指令集不利於引入流水線的設計，造成性能受到影響；另一方面，程序規模不斷增大，已經很難靠程序員去編寫所有彙編代碼了，編譯器也逐漸走向成熟，然而它們還是很難利用上 CISC 指令集上各種複雜的指令。受此啟發，人們搞出了精簡指令處理器（RISC），正如其名，它的指令相比 CISC 要簡單很多，一般有如下的特點：

1. 指令字定長，通常是 32 位長，方便解碼器的設計
2. 通用寄存器較多，例如 ARM 有 16 個寄存器，而 MIPS 有 32 個寄存器，減少訪存帶來的性能瓶頸
3. 訪存由單獨的指令完成，普通指令只會對寄存器和立即數進行操作，簡化了處理器的設計
4. 指令數量較少，語義單一，方便編譯器的實現

這些特點都給當時的 RISC 處理器帶來了巨幅的性能提升，RISC 處理器一時風光無兩，在遊戲機和伺服器等各種領域全面開花，就連身為 Wintel 聯盟一員的微軟都為 MIPS 處理器推出了 Windows NT for RISC 用來兼容當時在高端工作站領域攻城略地的 MIPS 處理器。

不過，正如《計算機體系結構》一書中所言，如今 RISC 與 CISC 的區別已經日漸消弭了，甚至很多 RISC 架構的指令集都不比早期 CISC 更簡單了：例如 PowerPC 的寄存器窗口和 MIPS 的延遲槽設計，有些甚至成為了性能提升的瓶頸，而傳統的 CISC 指令集則通過引入 uop 的方式在執行階段 RISC 化，話雖如此，新的指令集還是不斷出現，並且往往還是會採用 RISC 簡化的思想——例如 RISC-V 還有筆者本次要介紹的 LoongArch。

LoongArch 簡介

龍芯架構 LoongArch 是一種精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computing，簡稱 RISC）風格的指令系統架構。

這是《龍芯架構參考手冊 卷一：基礎架構》中對 LoongArch 給出的定義，LoongArch 是龍芯中科公司設計的一種 CPU 指令集架構，2020 年對外公開其存在，2021 年起公開出貨，在其 3A5000 CPU 產品開始搭載。龍芯之前的產品採用的是 MIPS 指令集，而隨著時代的變遷，MIPS 指令集的實控人幾經易手，就連 MIPS 公司自己都在 2020 年宣布放棄 MIPS，轉投 RISC-V 陣營，而龍芯的選擇則是另起爐灶——獨立開發 ISA。

當然，任何新指令集逃不過的一個問題就是生態，畢竟 X86 指令集能夠在今天仍然保持第一的佔有量，靠的就是其他指令集無法比擬的生態鴻溝，無數的軟體都是為了 X86 編寫的，並且很難簡單移植到其他的平台上，更遑論無數的閉源商業軟體了。而新架構要加強自身的生態，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台 3A5000 開發機，並且正在從事有關軟體移植的工作。

移植指北

那麼，要如何讓軟體跑在 LoongArch 架構上呢？實際上，對於大多數軟體而言，並不需要做任何修改，在 C 編譯器，JRE 運行時，.NET 環境等基礎軟體基本完成適配之後，只需要將代碼重新編譯（Java 等甚至不需要編譯）運行即可，但對於一些依賴於底層彙編實現的軟體，則需要手動進行移植。

筆者在今年年初完成了對 Haskell GHC 編譯器向 LoongArch 架構的移植，並在 LLVM 和 GHC 開源社區中順利將移植代碼合併進了主線（雖然還差點鬧出點亂子），下面就以我當時的移植過程為例，展示將一個依賴於底層體系架構細節的應用移植到新架構上，都需要做哪些改動。

不過要注意的是，隨著 LLVM16 和 GHC 9.6.1 的發布，相關代碼已經集成進了主線源碼中，因此無需修改源碼即可直接進行編譯。

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 CLFS 文檔中的指南配置好交叉工具鏈後，找到源碼目錄中的ghc/m4/ghc_unregisteried.m4文件並將其中的loongarch64欄位刪除。

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

之後回到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

等待配置完成後，輸入如下命令進行編譯。

hadrian/build -j4

如果在編譯中碰到缺少ncurses庫的報錯，請自行編譯並將其安裝至交叉編譯工具鏈中。

編譯完成後，輸入：

hadrian/build binary-dist

打包二進位分發包，至此 GHC Unregisterised 版本編譯完成，可以將其拷貝至 LoongArch 架構機器安裝使用。

GHC Registerised 編譯

GHC Unregistered 即可滿足大多數情況下的使用需要，但如果需要更高的運行效率、更完善的庫支持和更完整的功能，則需要編譯 GHC Registerised 版本，由於該版本需要 LLVM 後端的支持，因此需要首先編譯支持 LoongArch 架構的 LLVM16。

註：以下操作均在 LoongArch 機器上完成。

首先需要安裝之前編譯完成的 GHC Unregisterised 版本，將 tar 包加壓縮之後，進入目錄並輸入如下指令安裝：

./configure
hadrian/build install

之後在 LLVM 官方網站或 Github Release 頁面下載 LLVM16 源碼，解壓至本地之後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

由於 GHC 尚不支持最新的 LLVM 16 版本 因此需要對進行如下修改：

• 將 ghc/llvm-passes 的內容修改為

  [
  (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

由於 GHC 在最新的主線移除了對 make 工具的支持，因此我們還需要編譯並安裝 cabal-install。請自行參考 Cabal Bootstrap 指南進行編譯，完成編譯後，請注意需要執行一次cabal update之後即可進入 GHC 根目錄並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「簡單」的移植過程。

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