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

一、行業(yè)痛點

眾所周知，在選擇嵌入式 SoC 處理器時，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)存來承載。而與此同時、成本也相應增加。由此可見，代碼密度決定了片上內(nèi)存的規(guī)劃容量，對芯片的面積、功耗和整體成本有著深遠影響！

相比成熟的 Arm 架構(gòu)，代碼密度并非 RISC-V 傳統(tǒng)強項。在 ArmCC 等商業(yè)編譯器的加持影響下，某些應用場景中兩者代碼密度差距甚至達一倍之大， 因此，RISC-V 所需的存儲器和相應成本也大大增加。

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 芯片對比

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

組合拳一：面向應用深度優(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、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%的能耗來自于取指，而只有6%用于執(zhí)行實際的算術(shù)運算，一個更緊密的處理器指令集能產(chǎn)生更小的代碼，從而減少從儲存器取指令的消耗。

（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，其中、小型 Armv-M 架構(gòu)就是其典型代表作。因為它既包含了嵌入式常用操作指令的優(yōu)化，同時兼?zhèn)潇`活、高密度的 Thumb-2 指令集，所以也順理成章地成為當前嵌入式領(lǐng)域最受歡迎的架構(gòu)。

RISC-V 在設(shè)計之初考慮的是嵌入式、通用計算和高性能計算等多個場景，并未針對嵌入式特有場景進行特定優(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，但是傳統(tǒng)的 RISC-V 指令需要3條。

（圖3）Arm & 傳統(tǒng)RISC-V指令集對比

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

首先，隼瞻處理器對 RISC-V 社區(qū)多年來陸續(xù)引入的 B 擴展、Zc 擴展、Zicond 等一系列標準擴展提供了有效支持。

（圖4）隼瞻指令集優(yōu)化成效

雖然RISC-V 社區(qū)的標準擴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)組尋址場景，標準擴展就無法覆蓋。因此，隼瞻科技在支持常見的 Zc、B、Zicond 擴展指令集的基礎(chǔ)上，將自主研發(fā)的代碼密度增強指令 Xc擴展加入到處理器核中，從多個方面對代碼密度進行深度優(yōu)化。

Xc 擴展致力于解決標準擴展忽視的場景，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行效率。

（圖5）隼瞻自研Xc擴展顯著提升代碼密度

Xc 擴展不僅提升了代碼密度，并且因為一條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)行多條指令過程中不必要的寄存器分配，從而進一步優(yōu)化了整體性能。

組合拳二：深耕編譯器和基礎(chǔ)庫，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)庫也對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)編譯器會與內(nèi)核廠家深度合作，針對體系架構(gòu)進行有效的指令調(diào)度，從而獲得更高的代碼密度，同時自帶高度優(yōu)化的 C 庫和數(shù)學庫。相關(guān)的開源編譯器也因為該架構(gòu)推向市場的時間較長，發(fā)展得比較成熟。

相對于成熟的Arm生態(tài)，RISC-V生態(tài)發(fā)展時間不長，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 作為一個從小型嵌入式系統(tǒng)到大型 HPC 的通用編譯器長期存在的、領(lǐng)域針對性不強的問題。

隼瞻WingGCC 編譯器完整匹配各種標準擴展指令和隼瞻自定義擴展指令，同時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，還能在兼顧性能的前提下，針對嵌入式場景使編譯器重點偏向指令密度進行優(yōu)化。

同樣，針對嵌入式應用場景深度優(yōu)化的隼瞻 WingLib 基礎(chǔ)庫，則在開源環(huán)境通用的 newlib 基礎(chǔ)上進行了大刀闊斧式的改革。通過聚焦嵌入式應用并精簡非相關(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 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)過隼瞻的密度增強技術(shù)后代碼空間的對比

通過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，重點關(guān)注處理器在不同應用場景下的Codesize。它由19個真實的程序組成，運行結(jié)束后將會產(chǎn)生各個程序的Codesize數(shù)據(jù)，用來評估平臺和編譯工具鏈的Codesize性能。傳統(tǒng)RISC-V在Codesize方面并不占優(yōu)勢，Embench跑分長期處于被Arm壓制的狀況下。隼瞻科技通過自研編譯工具鏈，已經(jīng)實現(xiàn)在Codesize方面對Arm的反超！

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

遵循 ASIP（Application-Specific Instruction-set Processor，面向應用的定制指令集處理器）開發(fā)思路，隼瞻科技還能針對應用相關(guān)的代碼進行優(yōu)化，達到更高的代碼密度。

以計算兩張圖像的 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合計算，現(xiàn)在通過隼瞻WingStuido專用處理器設(shè)計平臺，基于選定的基礎(chǔ)處理器，擴展一條單周期指令就可以完成，在提升計算效率的同時，極大減少了程序代碼空間。

三、應用場景

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

結(jié)合上述訴求，隼瞻科技針對客戶的兩個主要業(yè)務場景、基于 WingGCC進行初步評估，迅速實現(xiàn)了比市面上常見解決方案更小的代碼尺寸。

使用支持隼瞻代碼密度增強指令的編譯器、搭配隼瞻獨家編譯的 WingLib 庫，最終成功實現(xiàn)與 Arm Cortex-M3 代碼尺寸相比在98%和101%的優(yōu)異成績！相對競品、領(lǐng)先優(yōu)勢超過33%。方案一經(jīng)推出、立即得到了客戶高度認可，雙方迅速達成合作。為此，客戶成功實現(xiàn)了低成本、高能效平替解決方案！

（圖8）隼瞻科技領(lǐng)先競品33%，與Arm架構(gòu)持平

四、展望未來

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

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


審核編輯 黃宇