嘉楠科技勘智K230芯片完成适配RISC-V新32位技术

嘉楠科技(Canaan Inc.)(纳斯达克股票代码：CAN)开发的勘智K230芯片在Fedora 团队的努力下完成适配RISC-V 新32位技术，节省内存的同时降低了成本，展示了嘉楠科技勘智K230芯片开发板强大的功能应用能力。同时，PLCT实验室与达摩院-玄铁团队携手，通过采用松弛扩展寻址技术，克服了传统32位架构在现代操作系统中的性能局限，为新32位工具链的创新应用奠定了坚实基础。

松弛扩展寻址

历史上，64ILP32 ABI的实施面临着的主要障碍是：32位指针与64位寄存器之间的不匹配问题，这不仅引起性能损失，还增加了编译器的复杂性。虽然零扩展寻址（Zero-extend Addressing）在 x86-x32 和 aarch64-ilp32 ABI 中得到采用，但额外的零扩展指令降低了程序效率。与之相比，32ILP32 和 64LP64 ABI 因指针长度与寄存器宽度一致，避免了这种性能开销。

面对这些挑战，我们首先考虑了符号扩展寻址（Sign-extend Addressing），它在一定程度上减缓了零扩展的性能问题，但增加了编译器和内核实现的复杂度。于是，我们提出了松弛扩展寻址（Relax-extend Addressing）方案，它通过硬件的指针掩码功能，允许在执行32位寻址操作时忽略64位寄存器的高32位，大幅简化了编译器工作，降低指令数量，并保持了安全性与可靠性。我们对以上三种寻址模式总结如下：

●  抹零扩展寻址：传统方法，需要编译器生成额外的的指令来清零高32位，导致性能损失。

●  符号扩展寻址：改良方案，通过操作系统页表的双重映射，合法化32位符号位扩展，缓解零扩展的性能开销。

●  松弛扩展寻址：创新方案，依赖处理器硬件掩码来实现高效寻址，彻底消除了寻址时的性能损失。

因此，松弛扩展被我们选定为 RV64ILP32 ABI 的默认寻址模式，它要求 RISC-V 64位处理器支持寻址掩码功能，对硬件设计提出了新的要求。我们在 QEMU 上实验该功能，并证明了基于松弛扩展寻址模式的 RV64ILP32 工具链的有效性。

新32位内核

新32位工具链基于 RISC-V 64ilp32 ABI，融合了松弛扩展寻址技术，让64位硬件流畅运行新32位软件。我们在 qemu 上实现了硬件松弛扩展寻址模式，并用新工具链构建了业内首款新32位Linux内核。

与传统32位对比，尽管新32位和传统32位都是32位Linux操作系统软件，但新32位得益于64位指令集，其性能显著优于传统32位：

如上图所示，新32位内核的 iperf3-tcp 测试大幅领先，在软件 ABI 相同的情况下，使用 64 位指令架构能极大提升操作系统的性能。本次qemu 测试仅供参考，请联系硬件供应商获得真实的性能差距报告，本测试用例已在工具链发布包内，请大家直接下载自行体验，以下动画是测试的全过程：

与传统64位对比，Fedora 团队完成了 RISC-V 新32位在嘉楠科技勘智K230芯片硬件平台的适配，新32位避免了39%的内存浪费，其成本优势使 Fedora RISC-V 能在嵌入式领域有更广泛的应用，具体请参考：

新32位工具链

让32位软件运行在64位硬件上不仅更快而且更省，这正是我们新32位编译器的优势所在，不禁让人想起中国古代田忌赛马的故事，与传统32位比性能，与传统64位比成本。换言之，新32位就是要取代传统32位，与64位形成互补。在进一步的测试中，我们观察到了传统32位的明显不足：

如上图所示，在处理长数据类型时，传统32位的编译器生成了超过10条额外指令来操作保存的变量。相反，当采用新32位工具链时，编译器会直接利用64位指令来处理这些数据，大幅度减少了所需指令的数量。

本次发布的新32位工具链通过了33万个测试用例，其中包含 192133 个 g++ 用例, 与 143498 个 gcc 用例 ，全面覆盖编译器的各项功能，测试结果与 GCC13 release 保持一致，达到产品级质量要求。相比传统32位，它的优势如下：

●  更强大的性能： 新32位编译器在处理长数据类型时更加高效，因为它无需进行额外的寄存器拼接或零扩展操作。这可以显著减少指令数量，提高程序的执行效率，特别是在涉及大量长数据类型操作的情况下。

●  更好的兼容性： 新32位编译器可以与传统64位编译器兼容，因为它们基于相同的硬件指令集。这意味着开发者可以更轻松地将现有的64位汇编代码迁移到新32位平台上，而无需做出太多修改。

●  更多的扩展性： 随着技术的发展和需求的增长，对更大的内存空间和更高性能的需求也在不断增加。新32位的硬件平台可以为未来的扩展性提供了更好的支持，因为它能无缝切换到传统64位以满足更高要求的应用程序。

●   产品级的质量：新32位工具链经过大量测试验证，保证使用的正确性与稳定性，同时在RUYISDK开源仓库中进行维护更新，及时解决用户遇到的各种问题。

结束语

松弛扩展寻址技术在新32位工具链中扮演着关键角色，为嵌入式系统的开发和部署提供了全新的解决方案。作为业内首款基于松弛扩展寻址技术的新32位产品级开源工具链和Linux内核，标志着嵌入式系统开发领域的一次重要创新。我们热切期待开发者们积极参与到新32位的开发和完善中，共同提出宝贵的建议和意见，推动新32位不断发展。我们致力于建立一个健康和活跃的开源社区，将持续投入资源和精力，确保新32位的稳定性和可靠性，并不断改进和完善其功能和性能。在此，我们也呼吁更多的硬件厂商加入我们的阵营，共同推动新32位嵌入式系统的发展和创新，为行业带来更多的可能性和机遇。

关于嘉楠科技勘智K230芯片

嘉楠科技勘智K230芯片是全球首款支持 RISC-V Vector1.0标准的商用SoC，内置双核玄铁C908 CPU，主频高达1.6GHz。作为嘉楠科技勘智Kendryte系列芯片中的最新一代SoC产品，勘智K230芯片内置多个高清视频图像输入处理和智能硬件处理单元，兼顾高性能、低功耗和高安全性特点，可广泛应用于各类智能产品，如边缘侧大模型多模态接入终端、3D结构光深度感知模组、交互型机器人、开源硬件、智能制造、智能家居和智能教育硬件等众多领域。

审核编辑：刘清