Ubuntu平台RISC-V自定义指令实践指南

Mark Do 6 小时前暂无评论阅读 26 次

引言

在之前的一篇文章中，我们探讨了指令集标准化对于生态稳定和成长的重要性，并介绍了通过使用配置规范来实现标准化。标准化固然关键，但RISC-V的一大优势在于支持指令集的自定义，因此我们也需要思考如何充分利用这一特性。

本文将聚焦于软件层面需要具备哪些要素来支持硬件自定义指令，以及如何让这些指令在Ubuntu系统中正常工作。

什么是自定义指令？

自定义指令简单来说，就是那些不属于基础指令集定义或已批准扩展的指令。RISC-V在设计之初就明确希望支持CPU架构层面的创新。尽管许多创新集中在微架构层面（例如推测执行、超标量流水线等），但很少有指令集架构允许在架构层面进行创新。为此，RISC-V专门保留了指令编码空间，用于容纳不属于标准ISA或标准扩展的指令。

为什么要自定义？

在嵌入式微控制器领域，自定义指令的好处显而易见。例如，在安全操作中，它可以加速特定加密运算；在音频处理中，它可以提供自定义DSP加速。譬如，乐鑫的ESP32-P4就提供了针对SIMD DSP的自定义扩展。

在这类系统中，实现者通常同时掌控硬件和软件——至少掌控软件工具链。但当我们考虑基于Linux的系统时，环境通常更为丰富，用户会部署以二进制形式分发的应用程序。Linux可用于软件仍然受到严格控制的嵌入式系统，并且随着部署规模的增长，越来越多的应用场景使得定制芯片变得可行。

在软硬件协同设计日益普及、企业打造垂直整合解决方案的时代，定制芯片能够应对以往无法实现的机会。近年来最著名的例子大概是苹果公司自主设计的笔记本电脑芯片，但这里也列举两个简单示例：

自定义数据类型：机器学习发展极为迅速，针对特定应用采用自定义数据类型，可在性能或能效方面带来显著提升。
与外部加速器的控制和数据流：RISC-V CPU常与自定义加速器配合使用，若在主机CPU中使用自定义指令来更高效地管理加速器，其效果优于将加速器作为简单内存映射外设连接。

为定制硬件编译的软件虽然只能在相应硬件上运行，但性能或功耗上的收益仍然值得投入。

操作系统通常不会直接使用这些自定义指令，但在某些情况下操作系统需要了解它们。特别是当指令需要额外的处理器状态时，操作系统必须知晓这些状态。下面进一步解释。

什么是状态空间？

状态空间是指那些随时间持续存在的东西——例如保存数据值的寄存器和报告指令输出结果的状态标志。在操作系统层面，这些状态非常重要，因为操作系统需要在中断等事件发生时能够保存和恢复这些状态。另外，寄存器通常需要由操作系统启用。这可以在启动时完成，也可以在运行时按进程进行。例如，浮点和向量寄存器文件（如果实现的话）默认是禁用的，只有操作系统启用后，应用程序代码才能使用它们。即使某个实现不要求操作系统启用用户对特定状态的访问，如果在操作系统中未妥善处理，也可能导致数据损坏或执行问题。

如何支持无状态自定义数据处理指令

如果自定义指令仅影响数据处理，且不需要额外的状态空间，那么无需修改操作系统代码即可管理。例如，那些将数据视为4位数据类型、但仅使用普通整数寄存器文件和状态寄存器的指令，可以在不通知操作系统的情况下实现。

构建使用这些指令的应用程序，需要预先编译好的库（其中已实现这些指令），或者使用能定位这些指令的自定义工具链。Ubuntu的launchpad.net构建基础设施支持通过私有包归档（PPA）来使用自定义工具链。工具链可以在自己的PPA中独立构建，也可以将预编译的二进制工具链作为应用程序代码源代码树的一部分包含进来。无论哪种方式，应用程序代码随后都会被构建并发布到PPA中。

通过将PPA与Ubuntu内核及通用软件包分发结合使用，用户既能享受Canonical提供的安全更新和维护补丁，又能获得定制硬件带来的性能提升。