全面革新RISC-V 架構(gòu)，隼瞻科技代碼密度增強(qiáng)技術(shù)為嵌入式芯片創(chuàng)造更多可能

一、行業(yè)痛點(diǎn)

眾所周知，在選擇嵌入式 SoC 處理器時(shí)，面積和功耗通常是客戶核心考慮的兩大因素！常規(guī)的嵌入式系統(tǒng)程序大多需要儲(chǔ)存在芯片上，如果系統(tǒng)代碼密度低就需要更大的內(nèi)存來(lái)承載。而與此同時(shí)、成本也相應(yīng)增加。由此可見(jiàn)，代碼密度決定了片上內(nèi)存的規(guī)劃容量，對(duì)芯片的面積、功耗和整體成本有著深遠(yuǎn)影響！

相比成熟的 Arm 架構(gòu)，代碼密度并非 RISC-V 傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)。在 ArmCC 等商業(yè)編譯器的加持影響下，某些應(yīng)用場(chǎng)景中兩者代碼密度差距甚至達(dá)一倍之大， 因此，RISC-V 所需的存儲(chǔ)器和相應(yīng)成本也大大增加。

這些因素也正成為困擾客戶、影響行業(yè)發(fā)展的一大難題！

（圖1）Arm 芯片與傳統(tǒng)RISC-V 芯片對(duì)比

二、研發(fā)思路
針對(duì)以上行業(yè)痛點(diǎn)，隼瞻追根溯源，面向市場(chǎng)推出全新的代碼密度增強(qiáng)技術(shù)方案。

組合拳一：面向應(yīng)用深度優(yōu)化的隼瞻處理器指令集

程序代碼密度主要由處理器指令集、ABI、編譯器、基礎(chǔ)庫(kù)、程序代碼等部分決定，而處理器指令集（ISA）則是代碼密度最根本的決定性因素。大多數(shù)嵌入式芯片， 例如 MCU，程序存儲(chǔ)器占據(jù)了芯片50%以上的面積，采用更緊湊的指令集可以顯著降低 SoC 面積。相關(guān)研究顯示，嵌入式芯片有42%的能耗來(lái)自于取指，而只有6%用于執(zhí)行實(shí)際的算術(shù)運(yùn)算，一個(gè)更緊密的處理器指令集能產(chǎn)生更小的代碼，從而減少?gòu)膬?chǔ)存器取指令的消耗。

（圖2）取指能耗占比圖

而Arm在嵌入式成熟架構(gòu)領(lǐng)域有著更為專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中、小型 Armv-M 架構(gòu)就是其典型代表作。因?yàn)樗劝饲度胧匠Ｓ貌僮髦噶畹膬?yōu)化，同時(shí)兼?zhèn)潇`活、高密度的 Thumb-2 指令集，所以也順理成章地成為當(dāng)前嵌入式領(lǐng)域最受歡迎的架構(gòu)。

RISC-V 在設(shè)計(jì)之初考慮的是嵌入式、通用計(jì)算和高性能計(jì)算等多個(gè)場(chǎng)景，并未針對(duì)嵌入式特有場(chǎng)景進(jìn)行特定優(yōu)化。

以一段 C 代碼為例：int indexing(int *p, int offset) { return p[idx] }，Arm 編譯后只需要一條指令就能完成任務(wù)，但是傳統(tǒng)的 RISC-V 指令需要3條。

（圖3）Arm & 傳統(tǒng)RISC-V指令集對(duì)比

為解決 RISC-V 架構(gòu)在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用瓶頸，隼瞻科技針對(duì)代碼密度增強(qiáng)技術(shù)開(kāi)展了全方位革新，從最源頭最核心的處理器指令集進(jìn)行了大幅優(yōu)化。

首先，隼瞻處理器對(duì) RISC-V 社區(qū)多年來(lái)陸續(xù)引入的 B 擴(kuò)展、Zc 擴(kuò)展、Zicond 等一系列標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展提供了有效支持。

（圖4）隼瞻指令集優(yōu)化成效

雖然RISC-V 社區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展在一定程度上提升了代碼密度，但其作用仍然十分有限。例如，在前文提到的數(shù)組尋址場(chǎng)景，標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展就無(wú)法覆蓋。因此，隼瞻科技在支持常見(jiàn)的 Zc、B、Zicond 擴(kuò)展指令集的基礎(chǔ)上，將自主研發(fā)的代碼密度增強(qiáng)指令 Xc擴(kuò)展加入到處理器核中，從多個(gè)方面對(duì)代碼密度進(jìn)行深度優(yōu)化。

Xc 擴(kuò)展致力于解決標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展忽視的場(chǎng)景，例如、在上述案例中用一條指令就能完成數(shù)組尋址，做到和 Arm 一樣的指令密度和運(yùn)行效率。

（圖5）隼瞻自研Xc擴(kuò)展顯著提升代碼密度

Xc 擴(kuò)展不僅提升了代碼密度，并且因?yàn)橐粭l指令就能完成多條指令的功能，系統(tǒng)性能也得到了極大提升。此外，它還避免了在執(zhí)行多條指令過(guò)程中不必要的寄存器分配，從而進(jìn)一步優(yōu)化了整體性能。

組合拳二：深耕編譯器和基礎(chǔ)庫(kù)，隼瞻科技持續(xù)打造深度優(yōu)化的 RISC-V 工具鏈

除了處理器指令集，編譯器和基礎(chǔ)庫(kù)也對(duì)代碼密度的最終成果有著明顯影響。

Armv-M 架構(gòu)生態(tài)中，商業(yè)編譯器會(huì)與內(nèi)核廠家深度合作，針對(duì)體系架構(gòu)進(jìn)行有效的指令調(diào)度，從而獲得更高的代碼密度，同時(shí)自帶高度優(yōu)化的 C 庫(kù)和數(shù)學(xué)庫(kù)。相關(guān)的開(kāi)源編譯器也因?yàn)樵摷軜?gòu)推向市場(chǎng)的時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)展得比較成熟。

相對(duì)于成熟的Arm生態(tài)，RISC-V生態(tài)發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，優(yōu)化尚不成熟，與Arm差距較為明顯。

為此，隼瞻科技在追尋RISC-V生態(tài)完善的腳步中，針對(duì)自有芯片（如：Wing-M130 系列）研發(fā)出了WingGCC 編譯器，解決了 GCC 作為一個(gè)從小型嵌入式系統(tǒng)到大型 HPC 的通用編譯器長(zhǎng)期存在的、領(lǐng)域針對(duì)性不強(qiáng)的問(wèn)題。

隼瞻WingGCC 編譯器完整匹配各種標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展指令和隼瞻自定義擴(kuò)展指令，同時(shí)適配隼瞻專用高效微架構(gòu)，能充分發(fā)揮處理器性能。同時(shí)，還能在兼顧性能的前提下，針對(duì)嵌入式場(chǎng)景使編譯器重點(diǎn)偏向指令密度進(jìn)行優(yōu)化。

同樣，針對(duì)嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景深度優(yōu)化的隼瞻 WingLib 基礎(chǔ)庫(kù)，則在開(kāi)源環(huán)境通用的 newlib 基礎(chǔ)上進(jìn)行了大刀闊斧式的改革。通過(guò)聚焦嵌入式應(yīng)用并精簡(jiǎn)非相關(guān)代碼，基于專業(yè)的匯編及體系結(jié)構(gòu)能力、精確排布重點(diǎn) API 的指令序列，與自定義指令集協(xié)同提升代碼密度！

（圖6）經(jīng)過(guò)隼瞻的密度增強(qiáng)技術(shù)后代碼空間的對(duì)比

通過(guò)上述一系列組合拳的優(yōu)化，隼瞻科技的RISC-V處理器在Codesize方面已經(jīng)與Arm架構(gòu)不相上下。

Embench是嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)常用的Benchmark，重點(diǎn)關(guān)注處理器在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的Codesize。它由19個(gè)真實(shí)的程序組成，運(yùn)行結(jié)束后將會(huì)產(chǎn)生各個(gè)程序的Codesize數(shù)據(jù)，用來(lái)評(píng)估平臺(tái)和編譯工具鏈的Codesize性能。傳統(tǒng)RISC-V在Codesize方面并不占優(yōu)勢(shì)，Embench跑分長(zhǎng)期處于被Arm壓制的狀況下。隼瞻科技通過(guò)自研編譯工具鏈，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在Codesize方面對(duì)Arm的反超！

（圖7）隼瞻科技Wing-M130與Arm Cortex-M3在Embench上的對(duì)比

遵循 ASIP（Application-Specific Instruction-set Processor，面向應(yīng)用的定制指令集處理器）開(kāi)發(fā)思路，隼瞻科技還能針對(duì)應(yīng)用相關(guān)的代碼進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到更高的代碼密度。

以計(jì)算兩張圖像的 alpha 混合為例，以往需要幾十條指令才能完成的 RGB 三色像素加減乘除復(fù)合計(jì)算，現(xiàn)在通過(guò)隼瞻WingStuido專用處理器設(shè)計(jì)平臺(tái)，基于選定的基礎(chǔ)處理器，擴(kuò)展一條單周期指令就可以完成，在提升計(jì)算效率的同時(shí)，極大減少了程序代碼空間。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

近期，有客戶希望找到一顆 RISC-V 處理器對(duì) Arm Cortex-M3 進(jìn)行平替。在嘗試了市面上常見(jiàn)的幾家解決方案后，均發(fā)現(xiàn)代碼尺寸膨脹較大，在某些場(chǎng)景下甚至超過(guò)了100%。由于“代碼密度”問(wèn)題造成的成本增加，在RISC-V替換Arm CPU過(guò)程中始終是一道難以逾越的鴻溝……

結(jié)合上述訴求，隼瞻科技針對(duì)客戶的兩個(gè)主要業(yè)務(wù)場(chǎng)景、基于 WingGCC進(jìn)行初步評(píng)估，迅速實(shí)現(xiàn)了比市面上常見(jiàn)解決方案更小的代碼尺寸。

使用支持隼瞻代碼密度增強(qiáng)指令的編譯器、搭配隼瞻獨(dú)家編譯的 WingLib 庫(kù)，最終成功實(shí)現(xiàn)與 Arm Cortex-M3 代碼尺寸相比在98%和101%的優(yōu)異成績(jī)！相對(duì)競(jìng)品、領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)超過(guò)33%。方案一經(jīng)推出、立即得到了客戶高度認(rèn)可，雙方迅速達(dá)成合作。為此，客戶成功實(shí)現(xiàn)了低成本、高能效平替解決方案！

（圖8）隼瞻科技領(lǐng)先競(jìng)品33%，與Arm架構(gòu)持平

四、展望未來(lái)

隼瞻科技自研的代碼密度增強(qiáng)技術(shù)，結(jié)合處理器指令集、編譯器和基礎(chǔ)庫(kù)，面向應(yīng)用深度優(yōu)化的這一超級(jí)組合拳，為行業(yè)客戶帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的平替助力，同時(shí)也為RISC-V生態(tài)發(fā)展提供源動(dòng)力。

隨著中國(guó)嵌入式芯片行業(yè)迅速發(fā)展，RISC-V生態(tài)將日漸豐富與強(qiáng)大！隼瞻科技將始終堅(jiān)持獨(dú)立探索、精益求精的態(tài)度，全力推動(dòng) RISC-V 生態(tài)走向成熟商用市場(chǎng)，為中國(guó)的嵌入式芯片行業(yè)創(chuàng)造更多可能性?。?！


審核編輯 黃宇