RISC-V压缩指令扩展测试

概述

RISC-V定义了压缩指令扩展（compressed instruction-set extension ），命名为“C”扩展。压缩指令使用16位宽指令替换32位宽指令，从而减少代码量。这个C扩展可运用在RV32、RV64和RV128指令集上，通常使用“RVC”来表示支持该扩展指令集。一个程序通常有50%的指令可以使用RVC指令替代，可以减少25%~30%的代码量。

RISC-V还定义了另外一组压缩指令扩展“Zc*”，扩展现有的C扩展，并新增了一些16位扩展，包括Zca、Zcd、Zcf和Zcb、Zcmp、Zcmt。

RISC-V定义了B扩展（bit-manipulation extension），用于位操作，包括Zba、Zbb和Zbs。B扩展可以减少代码量，提升性能和降低功耗。

CSiBE

CSiBE是用于代码大小测试的benchmark。

环境准备

下载CSiBE，如下：

$ git clone https://github.com/szeged/csibe.git

工具链下载芯来的Nuclei RISC-V Toolchain，这里下载2024.02版本，下载完成解压即可。

编译

CSiBE是采用cmake的方式进行构建的，cmake文件在toolchain-files目录，我们参考已有的模板编写，命名为gcc-risc-v.cmake，内容如下：

set(CMAKE_SYSTEM_NAME Generic)
set(CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR RISCV32)set(CMAKE_C_COMPILER_WORKS 1)
set(CMAKE_CXX_COMPILER_WORKS 1)set(CMAKE_C_COMPILER /toolchain/gcc/bin/riscv64-unknown-elf-gcc)
set(CMAKE_CXX_COMPILER /toolchain/gcc/bin/riscv64-unknown-elf-g++)# 1. 无c和b扩展
set(RISCV_FLAGS "-Os -march=rv32imaf -mabi=ilp32f -D__GLIBC_HAVE_LONG_LONG")
# 2. 基础c扩展
# set(RISCV_FLAGS "-Os -march=rv32imafc -mabi=ilp32f -D__GLIBC_HAVE_LONG_LONG")
# 3. zc和b扩展
# set(RISCV_FLAGS "-Os -march=rv32imaf_zca_zcb_zcf_zcmp_zcmt_zba_zbb_zbc_zbs -mabi=ilp32f -D__GLIBC_HAVE_LONG_LONG")
# 4. zc、b和芯来Xxlcz扩展
# set(RISCV_FLAGS "-Os -march=rv32imaf_zca_zcb_zcf_zcmp_zcmt_zba_zbb_zbc_zbs_xxlcz -mabi=ilp32f -D__GLIBC_HAVE_LONG_LONG")
set(CMAKE_C_FLAGS "${RISCV_FLAGS}" CACHE STRING "" FORCE)
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${RISCV_FLAGS}" CACHE STRING "" FORCE)
  • CMAKE_C_COMPILER和CMAKE_C_COMPILER：配置risc-v的c和c++编译器
  • RISCV_FLAGS：指定-march参数，这里测试c和b扩展、基础c扩展以及zc和b扩展三种情况

在顶级目录新建一个build目录，编译如下：

$ ./csibe.py --build-dir=build/ --toolchain gcc-risc-v CSiBE-v2.1.1
  • build-dir：指定编译目录
  • toolchain：制定工具链文件，即上面的gcc-risc-v.cmake

编译的结果在build目录下。

CSiBE

结果分析

CSiBE的测试结果列出所有的程序文件编译大小，这里我们采用所有文件的平均值进行对比。

选项扩展代码量均值对比
rv32imaf无压缩扩展4370100%
rv32imafc基础c扩展357182%
rv32imaf_zca_zcb_zcf_zcmp_zcmt_zba_zbb_zbc_zbszc新扩展+b扩展335876.9%
rv32imaf_zca_zcb_zcf_zcmp_zcmt_zba_zbb_zbc_zbs_xxlczzc新扩展+b扩展+芯来Xxlcz扩展334976.6%

可以看出，采用基础c扩展代码量量缩减18%，而采用zc新扩展和b扩展缩减23%。

Embench-IoT

Embench-IoT是嵌入式的性能测试工具，嵌入式系统的特点是：没有OS，最小C库支持，没有输出流。Embench-IoT运行结束后会打印19个测试程序的尺寸大小，类似如下：

Benchmark            size
---------            ----
aha-mont64          1,388
crc32                 588
cubic              35,018
edn                 1,870
huffbench           5,958
matmult-int         1,040
md5sum              5,168
minver              4,332
nbody               8,868
nettle-aes          2,874
nettle-sha256       4,358
nsichneu           16,292
picojpeg            7,774
primecount            624
qrduino            10,044
sglib-combined      6,784
slre                2,646
st                  8,930
statemate           3,958
tarfind             4,752
ud                  3,336
wikisort           12,576
---------           -----
Geometric mean      4,292
Geometric SD            2.72
Geometric range  10,072.17910752827
All benchmarks sized successfully

环境准备

下载Embench-IoT，如下：

$ git clone https://github.com/embench/embench-iot.git

工具链下载芯来的Nuclei RISC-V Toolchain，这里下载2024.02版本，下载完成解压即可。

另外需要安装python3.6或以后版本，还需要python包pyelftools：

$ pip3 install pyelftools

编译

Embench-IoT使用build_all.py脚本编译，编译完成后使用benchmark_size.py脚本查看代码大小，还可以使用benchmark_speed.py脚本测试速度性能。

无压缩

$ ./build_all.py --clean --arch riscv32 --chip generic --board ri5cyverilator --cc /toolchains/gcc/bin/riscv64-unknown-elf-gcc '--cflags=-c -Os -march=rv32imaf -mabi=ilp32f -ffunction-sections' '--ldflags=-march=rv32imafc -mabi=ilp32f -specs=nosys.specs -specs=nano.specs -Wl,-gc-sections' --user-libs=-lm --dummy-libs=

$ ./benchmark_size.py --absolute
Geometric mean      5,595
Geometric SD            2.60
Geometric range  12,379.939559115413
All benchmarks sized successfully

基础C扩展

$ ./build_all.py --clean --arch riscv32 --chip generic --board ri5cyverilator --cc /toolchains/gcc/bin/riscv64-unknown-elf-gcc '--cflags=-c -Os -march=rv32imafc -mabi=ilp32f -ffunction-sections' '--ldflags=-march=rv32imafc -mabi=ilp32f -specs=nosys.specs -specs=nano.specs -Wl,-gc-sections' --user-libs=-lm --dummy-libs=

$ ./benchmark_size.py --absolute
Geometric mean      4,795
Geometric SD            2.70
Geometric range  11,148.051624219981
All benchmarks sized successfully

Zc和B扩展

$ ./build_all.py --clean --arch riscv32 --chip generic --board ri5cyverilator --cc /toolchains/gcc/bin/riscv64-unknown-elf-gcc '--cflags=-c -Os -march=rv32imaf_zca_zcb_zcf_zcmp_zcmt_zba_zbb_zbc_zbs -mabi=ilp32f -ffunction-sections' '--ldflags=-march=rv32imaf_zca_zcb_zcf_zcmp_zcmt_zba_zbb_zbc_zbs -mabi=ilp32f -mabi=ilp32f -specs=nosys.specs -specs=nano.specs -Wl,-gc-sections' --user-libs=-lm --dummy-libs=

$ ./benchmark_size.py --absolute
Geometric mean      4,301
Geometric SD            2.72
Geometric range  10,099.132824302542
All benchmarks sized successfully

Zc、B和Xxlcz扩展

$ ./build_all.py --clean --arch riscv32 --chip generic --board ri5cyverilator --cc /toolchains/gcc/bin/riscv64-unknown-elf-gcc '--cflags=-c -Os -march=rv32imaf_zca_zcb_zcf_zcmp_zcmt_zba_zbb_zbc_zbs_xxlcz -mabi=ilp32f -ffunction-sections' '--ldflags=-march=rv32imaf_zca_zcb_zcf_zcmp_zcmt_zba_zbb_zbc_zbs_xxlcz -mabi=ilp32f -mabi=ilp32f -specs=nosys.specs -specs=nano.specs -Wl,-gc-sections' --user-libs=-lm --dummy-libs=

$ ./benchmark_size.py --absolute
Geometric mean      4,290
Geometric SD            2.72
Geometric range  10,069.520004018736
All benchmarks sized successfully

结果分析

Embench-IoT的测试结果会打印输出代码量的几何平均值、方差等，这里我们采用几何平均值进行对比。

选项扩展代码量均值对比
rv32imaf无压缩扩展5595100%
rv32imafc基础c扩展479586%
rv32imaf_zca_zcb_zcf_zcmp_zcmt_zba_zbb_zbc_zbszc新扩展+b扩展430176.9%
rv32imaf_zca_zcb_zcf_zcmp_zcmt_zba_zbb_zbc_zbs_xxlczzc新扩展+b扩展+芯来自研的代码缩减Xxlcz扩展429076.7%

可以看出，采用基础c扩展代码量量缩减14%，而采用zc新扩展和b扩展缩减33%。

参考

  1. RISC-V C扩展和Zce扩展Code Size实测
  2. Embench的介绍和在RISCV32模拟器上的运行
  3. nuclei sdk documentation

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