RISC-V生态全景解析3——RISC-V代码密度详解

名字好听吗

芯片开放社区（OCC）面向开发者推出RISC-V系列内容，通过多角度、全方位解读RISC-V，系统性梳理总结相关理论知识，构建RISC-V知识图谱，促进开发者对RISC-V生态全貌的了解。本期内容将通过阐述代码密度的决定因素，带大家了解RISC-V架构代码密度的现状，并简单介绍平头哥对RISC-V代码密度的优化成果。

1 X4 p) r6 V; g) v1 c8 V/ ?对于内存受限的嵌入式芯片（包括mcu和成本要求的AP类芯片）来说，代码密度非常重要。同样功能的程序，如果代码密度过大，就可能导致因ROM空间装载不下而无法使用。所以，在嵌入式领域中，代码密度是最重要的指标之一。那么，代码密度由什么决定？如何提高代码密度呢？RISC-V的代码密度现状又如何？通过本文，我们将为大家一一解答。

1、代码密度的决定因素
+ ?/ S; z" H4 {* u) f8 ?9 ]& P
- H! n4 t# `) [3 d如上面的倒金字塔所示，代码密度主要由指令集、ABI、编译器、Runtime库、程序代码五个部分决定。处在金字塔的越底端，说明该因素越底层，更新的频率越小，但辐射和影响的范围却越广。

2、指令集
指令集是代码密度最根本的决定性因素，它决定了一个操作在最优的情况下需要编译成多少位宽的编码。
很多体系结构比如ARM、RISC-V、C-SKY都是16位指令、32位指令混编的，同样的一条指令，如果能够被编译成16位指令，那么它显然比编译成32位指令占用更小的空间；再比如，一个乘累加的操作，如果指令集中存在乘累加指令，那么它只需要一条指令来实现乘累加操作，如果没有则需要至少两条指令来完成相同的操作，假设指令都是32位的，显然一条指令将占用更少的空间。
由于指令集的编码空间是有限的，所以指令集设计的核心是将哪些指令（包括指令操作数的范围）放到编码空间当中，就像一个商场的店面是有限的，当我们把需求最广的商家引进来时，商场的销量就会达到最高。
! N4 p' m- r& Y# S" v" E
3、ABI
ABI的全称是APPlication Binary InteRFace，是二进制级别的协议，它指导着编译器如何生成代码和二进制程序，同样也指导着用户如何写汇编代码。它主要包含函数调用约定（calling convention）、数据的对齐方式等内容。
6 k* @! n2 G- w" _7 e7 C8 G其中对代码密度影响最大的就是函数调用约定，它规定了堆栈寄存器、链接寄存器、哪些寄存器需要在函数头尾保存和恢复、哪些寄存器可以作为参数寄存器等，还有一些特殊用途的寄存器。大部分特殊寄存器都是会被高频使用的，配合指令集设计可以降低代码密度；需要保存和恢复的寄存器个数同样也会影响代码密度。

4、编译器
* P4 D  Q. ~/ t1 @% H7 {5 S1 E  \6 @编译器是开发者最直接接触的工具，也是给开发者体感最强的代码密度影响因素。它对代码密度的影响主要体现在两方面：
% k' E1 P3 J5 H) v3 v" R& H! h2 i① 编译器本身的优化能力，优化能力的强弱是影响编译器产品竞争力的最主要的因素。
" U2 Z5 h8 C! o② 编译器的使用方法，比如GCC，除了添加-Os之外，还可以添加-ffunction-sections -fdata-sections -Wl,--gc-sections来删除没有用到的函数。

, o2 B8 t$ a; m5、Runtime库
Runtime库是指程序运行所需的一些基本的函数库，它们一般都是预先编译好，和编译器一起打包发布，是工具链的一部分。由于这些函数的使用频率较高，一般程序都会用到一部分Runtime库的函数，对这些函数做针对性地优化会有比较好的收益。

6、程序代码
; X2 w4 p  d6 k. A" I- R2 d6 \  l" {" l开发者书写的代码质量也会影响程序的代码密度，虽然编译器能够优化一部分冗余代码，但是并不能保证百分之百的优化，所以开发者也要注意代码的质量。

7、RISC-V架构的代码密度现状
( V& w. u! r, X  @! e& P: oRISC-V的代码密度表现一直被人诟病，那么，它的现状真的这么不值一提吗？
首先，RISC-V对代码密度做过一些专门的优化：
在指令集方面，它通过量化分析的方法测试了SPEC等benchmark，找到高频指令并将它们放到16位指令的编码当中，这就是目前的compress指令集；
在ABI方面，rv32e通过限制16个寄存器，使代码可以生产更多的16位指令；
4 |; v1 F$ h9 _% l6 p7 B/ B6 m在编译器和Runtime中，它支持-msave-restore功能通过库函数调用的方式弥补了由于没有push/pop指令造成的一部分代码密度损失。

messed

编译器很熟悉。

zhi_hui_zhou

messed 发表于 2022-5-23 14:12
, s9 O7 d$ V2 Z7 J5 a7 R- B编译器很熟悉。

不错呀！||ヽ(*￣▽￣*)ノミ|Ю
& E1 ]3 ~$ H; t