< Architectures | RISC-V | 64ILP32
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* s32ilp32 - Linux version 6.3.0-rc1 (124MB) rv32_defconfig: | * s32ilp32 - Linux version 6.3.0-rc1 (124MB) rv32_defconfig: | ||
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$(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile defconfig | $(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile defconfig | ||
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这是基于当前默认配置（未做任何修改）的大致测量结果，32位（s32ilp32、s64ilp32）比64位（s64lp64）节省了超过16%的内存。 | |||
但s32ilp32和s64ilp32的内存占用相似（大约只有0.33%的差异），这意味着s64ilp32很有可能在64位机器上替代s32ilp32。 | |||
== 为什么选择s64ilp32？ == | |||
当前的RISC-V具有RVA20S64、RVA22S64和 RVA23S64 配置文件，但不存在RVA**S32配置文件，也没有进行中的计划。这意味着当供应商想要生产一个32位的s模式RISC-V应用处理器时，他们没有可遵循的模型。因此，许多便宜的riscv芯片已经出现，但遵循RVA2xS64配置文件，例如全志D1/D1s/F133、SOPHGO CV1800B/SG2000、嘉楠科技Kendryte K230 和Bouffalo Lab BL808，这些通常对标cortex a7/a35/a53产品场景。D1、CV1800B和BL808不支持UXL=32（32位U模式），因此它们需要一个新的u64ilp32用户空间ABI，目前还没有软件生态系统。因此，s64ilp32的首次登陆将是在嘉楠科技Kendryte k230上，该芯片具有c908，支持rv64gcv和兼容用户模式（sstatus.uxl=32/64），能够支持现有的rv32用户空间软件生态系统。 | |||
发明s64ilp32的另一个原因是性能好处和简化64位CPU硬件设计（与s32ilp32相比）。 | |||
== 为什么s64ilp32性能更好？ == | |||
一般来说，我们应该在64位处理器上构建一个32位硬件s模式来运行32位Linux（例如在cortex-a53上运行Linux-arm32）。 | |||
或者只在64位机器上使用旧的32ilp32-abi（例如mips SYS_SUPPORTS_32BIT_KERNEL）。这些不能重用64位硬件的性能相关特性和指令，例如64位ALU、AMO和LD/SD，这会在许多Linux功能上造成显著的性能差距： | |||
- memcpy/memset/strcmp（s64ilp32的指令计数是s32ilp32的一半，加载/存储指令的带宽是s32ilp32的两倍。） | |||
- ebpf JIT是一个64位虚拟ISA，不适合映射到s32ilp32。 | |||
- Atomic64（s64ilp32具有与s64lp64完全相同的原生指令映射，但s32ilp32只使用generic_atomic64，这是一个折衷和有限的软件解决方案。） | |||
- 支持"long long"类型的64位原生算术指令 | |||
- 支持slub的cmxchg_double（第二个支持该功能的32位Linux，第一个是i386。） | |||
... | |||
与用户空间生态系统相比，32位Linux内核更迫切地需要64ilp32来提高性能，因为Linux内核不能利用ISA的浮点/向量特性。 | |||
让我们从另一个角度看性能（s64ilp32对比s64lp64）。如前所述，ilp32的指针大小是lp64的一半，它减小了关键数据结构（例如，页面、列表等）的大小。这意味着使用ilp32的缓存可以在相同的缓存容量下包含lp64的两倍数据，这是32位的天生优势。 | |||
== 为什么 s64ilp32 可以简化 CPU 设计? == | |||
s64ilp32简化了CPU设计的原因主要有两个方面。首先，与传统的32位模式相比，s64ilp32模式允许RISC-V硬件在64位机器模式（MXL=SXL=64）下运行，同时支持32位用户空间（UXL=32）。这样，CPU厂商就无需实现专门的32位机器模式和管理模式，从而简化了硬件的设计和实现。传统上，例如在ARM架构中，为了支持32位Linux，需要实现32位的EL1/EL2/EL3硬件模式，这增加了设计和验证的复杂度。 | |||
其次，s64ilp32模式利用了64位硬件的性能优势，同时保持了与现有的32位软件生态系统的兼容性。这种模式下，虽然处理器在硬件层面上运行在64位模式，但是通过支持32位的用户空间ABI（应用程序二进制接口），使得现有的基于RV32的软件能够无缝运行。这种方法避免了混合32位CSR（控制和状态寄存器）功能到64位硬件中的复杂性，同时也保留了64位处理器的性能优势。 | |||
== s64ilp32如何工作？ == | |||
s64ilp32模式从硬件角度看与s64lp64兼容模式相同，即MXL=SXL=64加上UXL=32。由于s64ilp32使用Linux的CONFIG_32BIT配置，它仅支持u32ilp32 abi用户空间，即当前标准的rv32软件生态系统，目前还不能与u64lp64 abi兼容（这被认为是复杂且无用的）。但是，未来可能支持u64ilp32；现在，s64ilp32依赖于硬件的UXL=32特性。 | |||
对于地址变量的生成，64ilp32 gcc仍然使用带符号扩展的lw和auipc指令，因为插入用于屏蔽最高32位的零扩展指令会导致代码大小和性能问题。因此，通过操作系统方法来解决这个问题： | |||
- 当satp=bare且启动物理地址小于2GB时，不存在带符号扩展的地址问题。 | |||
- 当satp=bare且启动物理地址大于2GB时，需要类似zjpm的硬件扩展来屏蔽高32位。（幸运的是，所有现有的SoC（D1/D1s/F133, CV1800B, k230, BL808）的启动物理地址都小于2GB。） | |||
- 当satp=sv39时，通过双重映射使带符号扩展的虚拟地址与零扩展的虚拟地址相同，解决了地址扩展问题。 | |||
这种方法简化了对64位硬件的设计和实现，同时为32位软件提供了在64位硬件上运行的能力，无需牺牲性能。 | |||
== 如何运行 s64ilp32? == | |||
=== GNU 工具链 === | |||
请使用Fedora中的 riscv64-linux-gnu- 工具链 | |||
=== Opensbi === | |||
<pre> | |||
git clone https://github.com/riscv-software-src/opensbi.git | |||
CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- make PLATFORM=generic | |||
</pre> | |||
=== Linux kernel === | |||
<pre> | |||
git clone https://github.com/guoren83/linux.git -b s64ilp32 | |||
cd linux | |||
make ARCH=riscv CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- rv64ilp32_defconfig | |||
make ARCH=riscv CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- menuconfig | |||
make ARCH=riscv CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- all | |||
</pre> | |||
=== Fedora Rootfs === | |||
WIP | |||
=== Qemu === | |||
<pre> | |||
git clone https://github.com/plctlab/plct-qemu.git -b plct-s64ilp32-dev | |||
cd plct-qemu | |||
mkdir build | |||
cd build | |||
../qemu/configure --target-list="riscv64-softmmu riscv32-softmmu" | |||
make | |||
</pre> | |||
=== 运行 === | |||
<pre> | |||
./qemu-system-riscv64 -cpu rv64 -M virt -m 128m -nographic -bios fw_dynamic.bin -kernel Image -drive file=rootfs.ext2,format=raw,id=hd0 -device virtio-blk-device,drive=hd0 -append "rootwait root=/dev/vda ro console=ttyS0 earlycon=sbi" -netdev user,id=net0 -device virtio-net-device,netdev=net0 | |||
</pre> | |||
Revision as of 15:31, 4 March 2024
为什么使用32位Linux？
使用32位Linux内核的目的是为了减少内存占用并满足小容量DDR和缓存的要求（例如，64/128MB SIP SoC）。
ilp32的long和指针大小仅为lp64的一半（rv64默认的abi - long和指针都是64位）。 这种数据类型上的显著差异导致了不同的内存和缓存占用成本。 在相同的128MB qemu系统环境中，这里是s32ilp32、s64ilp32和s64lp64之间的比较测量：
根文件系统:
- u32ilp32 - 使用相同的32位用户空间rootfs.ext2（UXL=32）二进制文件，来自buildroot 2023.02-rc3，qemu_riscv32_virt_defconfig。
Linux:
- s32ilp32 - Linux version 6.3.0-rc1 (124MB) rv32_defconfig:
$(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile defconfig
- s64lp64 - Linux version 6.3.0-rc1 (126MB) defconfig:
$(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile defconfig
- s64ilp32 - Linux version 6.3.0-rc1 (126MB) rv64ilp32_defconfig:
$(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile defconfig 64ilp32.config
Opensbi:
- m64lp64 - (2MB) OpenSBI v1.2-80-g4b28afc98bbe
- m32ilp32 - (4MB) OpenSBI v1.2-80-g4b28afc98bbe
这是基于当前默认配置（未做任何修改）的大致测量结果，32位（s32ilp32、s64ilp32）比64位（s64lp64）节省了超过16%的内存。 但s32ilp32和s64ilp32的内存占用相似（大约只有0.33%的差异），这意味着s64ilp32很有可能在64位机器上替代s32ilp32。
为什么选择s64ilp32？
当前的RISC-V具有RVA20S64、RVA22S64和 RVA23S64 配置文件，但不存在RVA**S32配置文件，也没有进行中的计划。这意味着当供应商想要生产一个32位的s模式RISC-V应用处理器时，他们没有可遵循的模型。因此，许多便宜的riscv芯片已经出现，但遵循RVA2xS64配置文件，例如全志D1/D1s/F133、SOPHGO CV1800B/SG2000、嘉楠科技Kendryte K230 和Bouffalo Lab BL808，这些通常对标cortex a7/a35/a53产品场景。D1、CV1800B和BL808不支持UXL=32（32位U模式），因此它们需要一个新的u64ilp32用户空间ABI，目前还没有软件生态系统。因此，s64ilp32的首次登陆将是在嘉楠科技Kendryte k230上，该芯片具有c908，支持rv64gcv和兼容用户模式（sstatus.uxl=32/64），能够支持现有的rv32用户空间软件生态系统。
发明s64ilp32的另一个原因是性能好处和简化64位CPU硬件设计（与s32ilp32相比）。
为什么s64ilp32性能更好？
一般来说，我们应该在64位处理器上构建一个32位硬件s模式来运行32位Linux（例如在cortex-a53上运行Linux-arm32）。 或者只在64位机器上使用旧的32ilp32-abi（例如mips SYS_SUPPORTS_32BIT_KERNEL）。这些不能重用64位硬件的性能相关特性和指令，例如64位ALU、AMO和LD/SD，这会在许多Linux功能上造成显著的性能差距：
- memcpy/memset/strcmp（s64ilp32的指令计数是s32ilp32的一半，加载/存储指令的带宽是s32ilp32的两倍。） - ebpf JIT是一个64位虚拟ISA，不适合映射到s32ilp32。 - Atomic64（s64ilp32具有与s64lp64完全相同的原生指令映射，但s32ilp32只使用generic_atomic64，这是一个折衷和有限的软件解决方案。） - 支持"long long"类型的64位原生算术指令 - 支持slub的cmxchg_double（第二个支持该功能的32位Linux，第一个是i386。）
... 与用户空间生态系统相比，32位Linux内核更迫切地需要64ilp32来提高性能，因为Linux内核不能利用ISA的浮点/向量特性。
让我们从另一个角度看性能（s64ilp32对比s64lp64）。如前所述，ilp32的指针大小是lp64的一半，它减小了关键数据结构（例如，页面、列表等）的大小。这意味着使用ilp32的缓存可以在相同的缓存容量下包含lp64的两倍数据，这是32位的天生优势。
为什么 s64ilp32 可以简化 CPU 设计?
s64ilp32简化了CPU设计的原因主要有两个方面。首先，与传统的32位模式相比，s64ilp32模式允许RISC-V硬件在64位机器模式（MXL=SXL=64）下运行，同时支持32位用户空间（UXL=32）。这样，CPU厂商就无需实现专门的32位机器模式和管理模式，从而简化了硬件的设计和实现。传统上，例如在ARM架构中，为了支持32位Linux，需要实现32位的EL1/EL2/EL3硬件模式，这增加了设计和验证的复杂度。
其次，s64ilp32模式利用了64位硬件的性能优势，同时保持了与现有的32位软件生态系统的兼容性。这种模式下，虽然处理器在硬件层面上运行在64位模式，但是通过支持32位的用户空间ABI（应用程序二进制接口），使得现有的基于RV32的软件能够无缝运行。这种方法避免了混合32位CSR（控制和状态寄存器）功能到64位硬件中的复杂性，同时也保留了64位处理器的性能优势。
s64ilp32如何工作？
s64ilp32模式从硬件角度看与s64lp64兼容模式相同，即MXL=SXL=64加上UXL=32。由于s64ilp32使用Linux的CONFIG_32BIT配置，它仅支持u32ilp32 abi用户空间，即当前标准的rv32软件生态系统，目前还不能与u64lp64 abi兼容（这被认为是复杂且无用的）。但是，未来可能支持u64ilp32；现在，s64ilp32依赖于硬件的UXL=32特性。
对于地址变量的生成，64ilp32 gcc仍然使用带符号扩展的lw和auipc指令，因为插入用于屏蔽最高32位的零扩展指令会导致代码大小和性能问题。因此，通过操作系统方法来解决这个问题：
- 当satp=bare且启动物理地址小于2GB时，不存在带符号扩展的地址问题。 - 当satp=bare且启动物理地址大于2GB时，需要类似zjpm的硬件扩展来屏蔽高32位。（幸运的是，所有现有的SoC（D1/D1s/F133, CV1800B, k230, BL808）的启动物理地址都小于2GB。） - 当satp=sv39时，通过双重映射使带符号扩展的虚拟地址与零扩展的虚拟地址相同，解决了地址扩展问题。
这种方法简化了对64位硬件的设计和实现，同时为32位软件提供了在64位硬件上运行的能力，无需牺牲性能。
如何运行 s64ilp32?
GNU 工具链
请使用Fedora中的 riscv64-linux-gnu- 工具链
Opensbi
git clone https://github.com/riscv-software-src/opensbi.git CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- make PLATFORM=generic
Linux kernel
git clone https://github.com/guoren83/linux.git -b s64ilp32 cd linux make ARCH=riscv CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- rv64ilp32_defconfig make ARCH=riscv CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- menuconfig make ARCH=riscv CROSS_COMPILE=riscv64-linux-gnu- all
Fedora Rootfs
WIP
Qemu
git clone https://github.com/plctlab/plct-qemu.git -b plct-s64ilp32-dev cd plct-qemu mkdir build cd build ../qemu/configure --target-list="riscv64-softmmu riscv32-softmmu" make
运行
./qemu-system-riscv64 -cpu rv64 -M virt -m 128m -nographic -bios fw_dynamic.bin -kernel Image -drive file=rootfs.ext2,format=raw,id=hd0 -device virtio-blk-device,drive=hd0 -append "rootwait root=/dev/vda ro console=ttyS0 earlycon=sbi" -netdev user,id=net0 -device virtio-net-device,netdev=net0