嘉楠科技(Canaan Inc.)(納斯達(dá)克股票代碼：CAN)開發(fā)的勘智K230芯片在Fedora 團(tuán)隊(duì)的努力下完成適配RISC-V 新32位技術(shù)，節(jié)省內(nèi)存的同時降低了成本，展示了嘉楠科技勘智K230芯片開發(fā)板強(qiáng)大的功能應(yīng)用能力。同時，PLCT實(shí)驗(yàn)室與達(dá)摩院-玄鐵團(tuán)隊(duì)攜手，通過采用松弛擴(kuò)展尋址技術(shù)，克服了傳統(tǒng)32位架構(gòu)在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中的性能局限，為新32位工具鏈的創(chuàng)新應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

松弛擴(kuò)展尋址

歷史上，64ILP32 ABI的實(shí)施面臨著的主要障礙是：32位指針與64位寄存器之間的不匹配問題，這不僅引起性能損失，還增加了編譯器的復(fù)雜性。雖然零擴(kuò)展尋址（Zero-extend Addressing）在x86-x32和aarch64-ilp32 ABI中得到采用，但額外的零擴(kuò)展指令降低了程序效率。與之相比，32ILP32和64LP64 ABI因指針長度與寄存器寬度一致，避免了這種性能開銷。

面對這些挑戰(zhàn)，我們首先考慮了符號擴(kuò)展尋址（Sign-extend Addressing），它在一定程度上減緩了零擴(kuò)展的性能問題，但增加了編譯器和內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。于是，我們提出了松弛擴(kuò)展尋址（Relax-extend Addressing）方案，它通過硬件的指針掩碼功能，允許在執(zhí)行32位尋址操作時忽略64位寄存器的高32位，大幅簡化了編譯器工作，降低指令數(shù)量，并保持了安全性與可靠性。我們對以上三種尋址模式總結(jié)如下：

●抹零擴(kuò)展尋址：傳統(tǒng)方法，需要編譯器生成額外的的指令來清零高32位，導(dǎo)致性能損失。

●符號擴(kuò)展尋址：改良方案，通過操作系統(tǒng)頁表的雙重映射，合法化32位符號位擴(kuò)展，緩解零擴(kuò)展的性能開銷。

●松弛擴(kuò)展尋址：創(chuàng)新方案，依賴處理器硬件掩碼來實(shí)現(xiàn)高效尋址，徹底消除了尋址時的性能損失。

因此，松弛擴(kuò)展被我們選定為 RV64ILP32 ABI 的默認(rèn)尋址模式，它要求 RISC-V 64位處理器支持尋址掩碼功能，對硬件設(shè)計(jì)提出了新的要求。我們在 QEMU 上實(shí)驗(yàn)該功能，并證明了基于松弛擴(kuò)展尋址模式的 RV64ILP32 工具鏈的有效性。

新32位內(nèi)核

新32位工具鏈基于 RISC-V 64ilp32 ABI，融合了松弛擴(kuò)展尋址技術(shù)，讓64位硬件流暢運(yùn)行新32位軟件。我們在 qemu 上實(shí)現(xiàn)了硬件松弛擴(kuò)展尋址模式，并用新工具鏈構(gòu)建了業(yè)內(nèi)首款新32位Linux內(nèi)核。

與傳統(tǒng)32位對比，盡管新32位和傳統(tǒng)32位都是32位Linux操作系統(tǒng)軟件，但新32位得益于64位指令集，其性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)32位：

如上圖所示，新32位內(nèi)核的 iperf3-tcp 測試大幅領(lǐng)先，在軟件 ABI 相同的情況下，使用 64 位指令架構(gòu)能極大提升操作系統(tǒng)的性能。本次qemu 測試僅供參考，請聯(lián)系硬件供應(yīng)商獲得真實(shí)的性能差距報告，本測試用例已在工具鏈發(fā)布包內(nèi)，請大家直接下載自行體驗(yàn)，以下動畫是測試的全過程：

與傳統(tǒng)64位對比，F(xiàn)edora團(tuán)隊(duì)完成了RISC-V新32位在嘉楠科技勘智K230芯片硬件平臺的適配，新32位避免了39%的內(nèi)存浪費(fèi)，其成本優(yōu)勢使 Fedora RISC-V 能在嵌入式領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用，具體請參考：

新32位工具鏈

讓32位軟件運(yùn)行在64位硬件上不僅更快而且更省，這正是我們新32位編譯器的優(yōu)勢所在，不禁讓人想起中國古代田忌賽馬的故事，與傳統(tǒng)32位比性能，與傳統(tǒng)64位比成本。換言之，新32位就是要取代傳統(tǒng)32位，與64位形成互補(bǔ)。在進(jìn)一步的測試中，我們觀察到了傳統(tǒng)32位的明顯不足：

如上圖所示，在處理長數(shù)據(jù)類型時，傳統(tǒng)32位的編譯器生成了超過10條額外指令來操作保存的變量。相反，當(dāng)采用新32位工具鏈時，編譯器會直接利用64位指令來處理這些數(shù)據(jù)，大幅度減少了所需指令的數(shù)量。

本次發(fā)布的新32位工具鏈通過了33萬個測試用例，其中包含 192133 個 g++用例, 與 143498 個 gcc 用例，全面覆蓋編譯器的各項(xiàng)功能，測試結(jié)果與 GCC13 release 保持一致，達(dá)到產(chǎn)品級質(zhì)量要求。相比傳統(tǒng)32位，它的優(yōu)勢如下：

●更強(qiáng)大的性能：新32位編譯器在處理長數(shù)據(jù)類型時更加高效，因?yàn)樗鼰o需進(jìn)行額外的寄存器拼接或零擴(kuò)展操作。這可以顯著減少指令數(shù)量，提高程序的執(zhí)行效率，特別是在涉及大量長數(shù)據(jù)類型操作的情況下。

●更好的兼容性：新32位編譯器可以與傳統(tǒng)64位編譯器兼容，因?yàn)樗鼈兓谙嗤挠布噶罴＿@意味著開發(fā)者可以更輕松地將現(xiàn)有的64位匯編代碼遷移到新32位平臺上，而無需做出太多修改。

●更多的擴(kuò)展性：隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的增長，對更大的內(nèi)存空間和更高性能的需求也在不斷增加。新32位的硬件平臺可以為未來的擴(kuò)展性提供了更好的支持，因?yàn)樗軣o縫切換到傳統(tǒng)64位以滿足更高要求的應(yīng)用程序。

●產(chǎn)品級的質(zhì)量：新32位工具鏈經(jīng)過大量測試驗(yàn)證，保證使用的正確性與穩(wěn)定性，同時在RUYISDK開源倉庫中進(jìn)行維護(hù)更新，及時解決用戶遇到的各種問題。

結(jié)束語

松弛擴(kuò)展尋址技術(shù)在新32位工具鏈中扮演著關(guān)鍵角色，為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和部署提供了全新的解決方案。作為業(yè)內(nèi)首款基于松弛擴(kuò)展尋址技術(shù)的新32位產(chǎn)品級開源工具鏈和Linux內(nèi)核，標(biāo)志著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域的一次重要創(chuàng)新。我們熱切期待開發(fā)者們積極參與到新32位的開發(fā)和完善中，共同提出寶貴的建議和意見，推動新32位不斷發(fā)展。我們致力于建立一個健康和活躍的開源社區(qū)，將持續(xù)投入資源和精力，確保新32位的穩(wěn)定性和可靠性，并不斷改進(jìn)和完善其功能和性能。在此，我們也呼吁更多的硬件廠商加入我們的陣營，共同推動新32位嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和創(chuàng)新，為行業(yè)帶來更多的可能性和機(jī)遇。

關(guān)于嘉楠科技勘智K230芯片

嘉楠科技勘智K230芯片是全球首款支持 RISC-V Vector1.0標(biāo)準(zhǔn)的商用SoC，內(nèi)置雙核玄鐵C908 CPU，主頻高達(dá)1.6GHz。作為嘉楠科技勘智Kendryte系列芯片中的最新一代SoC產(chǎn)品，勘智K230芯片內(nèi)置多個高清視頻圖像輸入處理和智能硬件處理單元，兼顧高性能、低功耗和高安全性特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類智能產(chǎn)品，如邊緣側(cè)大模型多模態(tài)接入終端、3D結(jié)構(gòu)光深度感知模組、交互型機(jī)器人、開源硬件、智能制造、智能家居和智能教育硬件等眾多領(lǐng)域。

審核編輯：劉清