嘉楠科技(Canaan Inc.)(納斯達克股票代碼：CAN)開發的勘智K230芯片在Fedora 團隊的努力下完成適配RISC-V 新32位技術，節省內存的同時降低了成本，展示了嘉楠科技勘智K230芯片開發板強大的功能應用能力。同時，PLCT實驗室與達摩院-玄鐵團隊攜手，通過采用松弛擴展尋址技術，克服了傳統32位架構在現代操作系統中的性能局限，為新32位工具鏈的創新應用奠定了堅實基礎。

松弛擴展尋址

歷史上，64ILP32 ABI的實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雜性。雖然零擴展尋址（Zero-extend Addressing）在x86-x32和aarch64-ilp32 ABI中得到采用，但額外的零擴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，我們首先考慮了符號擴展尋址（Sign-extend Addressing），它在一定程度上減緩了零擴展的性能問題，但增加了編譯器和內核實現的復雜度。于是，我們提出了松弛擴展尋址（Relax-extend Addressing）方案，它通過硬件的指針掩碼功能，允許在執行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如下：

●抹零擴展尋址：傳統方法，需要編譯器生成額外的的指令來清零高32位，導致性能損失。

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

●松弛擴展尋址：創新方案，依賴處理器硬件掩碼來實現高效尋址，徹底消除了尋址時的性能損失。

因此，松弛擴展被我們選定為 RV64ILP32 ABI 的默認尋址模式，它要求 RISC-V 64位處理器支持尋址掩碼功能，對硬件設計提出了新的要求。我們在 QEMU 上實驗該功能，并證明了基于松弛擴展尋址模式的 RV64ILP32 工具鏈的有效性。

新32位內核

新32位工具鏈基于 RISC-V 64ilp32 ABI，融合了松弛擴展尋址技術，讓64位硬件流暢運行新32位軟件。我們在 qemu 上實現了硬件松弛擴展尋址模式，并用新工具鏈構建了業內首款新32位Linux內核。

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

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

與傳統64位對比，Fedora團隊完成了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%的內存浪費，其成本優勢使 Fedora RISC-V 能在嵌入式領域有更廣泛的應用，具體請參考：

新32位工具鏈

讓32位軟件運行在64位硬件上不僅更快而且更省，這正是我們新32位編譯器的優勢所在，不禁讓人想起中國古代田忌賽馬的故事，與傳統32位比性能，與傳統64位比成本。換言之，新32位就是要取代傳統32位，與64位形成互補。在進一步的測試中，我們觀察到了傳統32位的明顯不足：

如上圖所示，在處理長數據類型時，傳統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據，大幅度減少了所需指令的數量。

本次發布的新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功能，測試結果與 GCC13 release 保持一致，達到產品級質量要求。相比傳統32位，它的優勢如下：

●更強大的性能：新32位編譯器在處理長數據類型時更加高效，因為它無需進行額外的寄存器拼接或零擴展操作。這可以顯著減少指令數量，提高程序的執行效率，特別是在涉及大量長數據類型操作的情況下。

●更好的兼容性：新32位編譯器可以與傳統64位編譯器兼容，因為它們基于相同的硬件指令集。這意味著開發者可以更輕松地將現有的64位匯編代碼遷移到新32位平臺上，而無需做出太多修改。

●更多的擴展性：隨著技術的發展和需求的增長，對更大的內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展性提供了更好的支持，因為它能無縫切換到傳統64位以滿足更高要求的應用程序。

●產品級的質量：新32位工具鏈經過大量測試驗證，保證使用的正確性與穩定性，同時在RUYISDK開源倉庫中進行維護更新，及時解決用戶遇到的各種問題。

結束語

松弛擴展尋址技術在新32位工具鏈中扮演著關鍵角色，為嵌入式系統的開發和部署提供了全新的解決方案。作為業內首款基于松弛擴展尋址技術的新32位產品級開源工具鏈和Linux內核，標志著嵌入式系統開發領域的一次重要創新。我們熱切期待開發者們積極參與到新32位的開發和完善中，共同提出寶貴的建議和意見，推動新32位不斷發展。我們致力于建立一個健康和活躍的開源社區，將持續投入資源和精力，確保新32位的穩定性和可靠性，并不斷改進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位嵌入式系統的發展和創新，為行業帶來更多的可能性和機遇。

關于嘉楠科技勘智K230芯片

嘉楠科技勘智K230芯片是全球首款支持 RISC-V Vector1.0標準的商用SoC，內置雙核玄鐵C908 CPU，主頻高達1.6GHz。作為嘉楠科技勘智Kendryte系列芯片中的最新一代SoC產品，勘智K230芯片內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，可廣泛應用于各類智能產品，如邊緣側大模型多模態接入終端、3D結構光深度感知模組、交互型機器人、開源硬件、智能制造、智能家居和智能教育硬件等眾多領域。

審核編輯：劉清