什么是 LLVM C/C++ 編譯器？

RISC-V 是一種模塊化指令集架構(gòu) (ISA)，具有強(qiáng)大的定制能力，在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和差異化的同時(shí)而不會(huì)出現(xiàn)碎片化現(xiàn)象。在已批準(zhǔn)/標(biāo)準(zhǔn)的 ISA 擴(kuò)展（如整數(shù)指令或浮點(diǎn)指令）的基礎(chǔ)模塊之上，設(shè)計(jì)人員可以通過添加自定義指令而實(shí)現(xiàn)純粹的設(shè)計(jì)自由！

通過添加自定義指令而實(shí)現(xiàn)更好的性能，更小的內(nèi)存占用或者更低的功率，意味著軟件（最終應(yīng)用程序）要針對(duì)特定的 RISC-V ISA 進(jìn)行編譯。軟件開發(fā)工具包（SDK）必須清楚地了解 RISC-V 處理器實(shí)現(xiàn)了哪些 ISA 模塊，這樣才能自動(dòng)利用這些模塊。這些指令包括標(biāo)準(zhǔn)指令和定制指令。

但是如何為特定的 RISC-V ISA 獲取最佳的 SDK 呢？這里不得不提到 SDK 的重要組成部分--C/C++ 編譯器。編譯器必須盡可能能夠自動(dòng)、明智地使用這些自定義指令。

什么是 LLVM C/C++ 編譯器？

LLVM（低級(jí)虛擬機(jī)）是一套編譯器和工具，如匯編器、鏈接器或調(diào)試器。我們可以把重點(diǎn)放在編譯器上。

與其他編譯器一樣，LLVM 編譯器可分為三個(gè)部分：前端、優(yōu)化器（也稱中端）和后端，如下圖所示。每一層都有不同的用途。

LLVM 編譯器前端

前端將 C 或 C++ 源代碼作為文本文件輸入。前端會(huì)對(duì)其進(jìn)行解析，并創(chuàng)建一個(gè)中間表達(dá)（IR）。IR 以機(jī)器格式表示輸入內(nèi)容。

LLVM 編譯器優(yōu)化器

優(yōu)化器接收 IR，主要針對(duì)獨(dú)立的優(yōu)化（如循環(huán)展開或常量/變量傳播），并生成經(jīng)過優(yōu)化的 IR。

LLVM 編譯器后端

后端接收優(yōu)化后的 IR，并執(zhí)行與目標(biāo)相關(guān)的優(yōu)化、寄存器分配、堆棧操作等。最后生成處理器的匯編代碼。

對(duì)于可重定位目標(biāo)性而言，后端是最重要的部分，因?yàn)樗仨毩私饽繕?biāo)架構(gòu)、指令等信息。而 Codasip 的解決方案生成的正是編譯器后端。

重定向 LLVM C/C++ 編譯器

對(duì)于這個(gè)問題，Codasip 的做法如下：

以CodAL作為處理器描述的單一來源

RISC-V ISA（包括自定義指令）是通過 CodAL 語言（一種基于 C 語言的處理器高級(jí)描述語言）捕獲的。該語言捕獲了所有重要信息，包括指令的文本形式、二進(jìn)制編碼以及更重要的指令行為。CodAL 描述還包含以下信息：不同類型的危險(xiǎn)是如何遞交的（它會(huì)影響指令調(diào)度）、指令是如何執(zhí)行的（單周期、多周期）、處理器的應(yīng)用二進(jìn)制接口（例如，哪些寄存器用于堆棧）或其他微體系結(jié)構(gòu)描述等。此外它還包含其它 C/C++ 編譯器功能（例如窺孔優(yōu)化-peephole optimizations）的說明。

下面的示例顯示了一條表示兩個(gè)數(shù)字平均值的簡單指令。

根據(jù)這一描述可以生成一系列工具。從下圖中可以看到，生成的輸出之一是 LLVM C/C++ 編譯器。

C/C++ 編譯器生成器會(huì)解析所有已描述的指令和微架構(gòu)描述。然后提取指令語義、ABI 或時(shí)序，為前端和優(yōu)化器生成新的后端和配置文件。換句話說，前端和優(yōu)化器經(jīng)過預(yù)編譯和配置，可以快速探索設(shè)計(jì)空間。而后端則需要編譯。生成的后端可以接收到 RISC-V 處理器的每一條指令，且上述指令可以由生成的 C/C++ 編譯器自動(dòng)使用，也可以通過自動(dòng)生成的內(nèi)建函數(shù)或內(nèi)聯(lián)匯編使用。

最獨(dú)特的是，生成的后端向設(shè)計(jì)人員開放。如果設(shè)計(jì)人員想要添加新的 LLVM optimization pass，假設(shè)已經(jīng)用 C++ 編寫了一個(gè)optimization pass，那么就可以隨時(shí)添加新的pass。

Codasip同時(shí)還改進(jìn)了 vanilla LLVM。通過添加針對(duì)性能提升（例如改進(jìn)的跳轉(zhuǎn)線程、超級(jí)塊調(diào)度或循環(huán)折疊/扁平化）、代碼縮減（例如改進(jìn)的-msave-restore、改進(jìn)的多輸出指令支持或機(jī)器大綱器）或 DSP 功能（例如零開銷循環(huán)、雙堆棧架構(gòu)支持或帶后增量/前增量的加載/存儲(chǔ)）的高級(jí)optimization pass。

此時(shí)我們了解一下生成的 C/C++ 編譯器在基準(zhǔn)測試中的表現(xiàn)如何，并重點(diǎn)關(guān)注編譯器的兩個(gè)方面：性能和代碼量。

Coremark 和 Dhrystone 用于測量性能，Embench-iot 用于測量代碼大小。我們比較了三種編譯器： GCC、Vanilla LLVM 和 Codasip LLVM。比較是相對(duì)于其他編譯器進(jìn)行的，Vanilla LLVM 是參考編譯器（即在圖表中得分 1）。RISC-V ISA 配置為 RV32IMCB。

測試性能結(jié)果

性能比較顯示了 Codasip LLVM 的改進(jìn)，以及它如何優(yōu)于其他編譯器。請(qǐng)注意，所有編譯器都使用了類似的優(yōu)化標(biāo)志。自定義指令可以明顯改善結(jié)果。

代碼大小結(jié)果

代碼大小比較也顯示了 Codasip LLVM 的優(yōu)勢，盡管差距并不大。在此，自定義指令也能明顯改善結(jié)果。對(duì)于如何縮減RISC-V的代碼大小，大家可通過IP&SoC雜志7/8月版的電子書查閱Codasip的迷你技術(shù)白皮書，鏈接如下：https://ipsoc.yunzhan365.com/books/stka/mobile/index.html

創(chuàng)新自動(dòng)化助理 RISC-V的飛速發(fā)展

RISC-V ISA 仍在不斷發(fā)展，行業(yè)急需一些方法來輕松探索不同指令及其對(duì)軟件的影響（包括性能、代碼大小或功耗等方面）。自動(dòng)化是非常可取的，因?yàn)樽詣?dòng)化流程可以快速高效地探索設(shè)計(jì)空間?；蛘哒f，如果設(shè)計(jì)人員想要?jiǎng)?chuàng)新或與眾不同，那么他們就需要能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新或與眾不同的工具和語言，協(xié)助其達(dá)到目的。

而Codasip Studio 正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效方法。Codasip的處理器設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具集能從單一的真實(shí)源自動(dòng)生成所有需要的部件。生成的 LLVM C/C++ 編譯器可以自動(dòng)使用新指令（也就是說，除非您愿意，否則無需更改 C/C++ 代碼）。此外它在性能和代碼大小方面的表現(xiàn)也非常出色。Codasip Studio 可以自動(dòng)生成可執(zhí)行模型、RTL 或驗(yàn)證工具，以完善 IP 工具包，并在最終產(chǎn)品中部署創(chuàng)新的 RISC-V 架構(gòu)。

審核編輯：彭菁