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RISC-V jump_label 详解，第 6 部分：分析 RVC 支持
Wu Zhangjin 创作于 2024/05/05
Corrector: TinyCorrect v0.1 - [spaces header toc urls autocorrect] Author: Falcon falcon@tinylab.org Date: 2023/02/02 Revisor: Falcon Project: RISC-V Linux 内核剖析 Sponsor: PLCT Lab, ISCAS
背景简介
该系列已经连载 5 篇文章，旨在分析 RISC-V 架构上的 jump_label 实现。前面 5 篇已经系统地分析了其原理和实现并结合 RISC-V 架构介绍了实际使用 jump_label 的优化案例。
前段观察到，在 RISC-V Linux 邮件列表中，有一位名叫 Guo Ren 的内核开发者提交了 1 笔针对 RVC 的 Static Branch 优化补丁，本文直接基于相关 patch 进行介绍（注：该代码到目前为止并未合入）。
如果没有特别说明，本文以 Linux v6.1 为例。
RVC - RISC-V C 扩展
RISC-V 作为一种采用精简指令集的处理器架构，其特征是围绕核心指令集 RV32I/RV64I，通过一系列扩展来增强处理器的功能，不同厂家可以根据自身需要选择是否实现这些扩展。
其中，“C” 扩展通过为常见操作添加 16 位指令编码来减少静态和动态代码空间占用：
reduces static and dynamic code size by adding short 16-bit instruction encodings for common operations. The C extension can be added to any of the base ISAs (RV32, RV64, RV128), and we use the generic term “RVC” to cover any of these. Typically, 50%–60% of the RISC-V instructions in a program can be replaced with RVC instructions, resulting in a 25%–30% code-size reduction.
以上内容摘录自 riscv-spec-20191213.pdf 的 “Chapter 16“C”Standard Extension for Compressed Instructions, Version 2.0”。
如果想在编译时启用 RVC 指令，需要开启如下选项：
Symbol: RISCV_ISA_C [=y]
Type : bool
Defined at arch/riscv/Kconfig:385
Prompt: Emit compressed instructions when building Linux
Location:
-> Platform type
(1) -> Emit compressed instructions when building Linux (RISCV_ISA_C [=y])
Selected by [y]:
- EFI [=y] && OF [=y] && !XIP_KERNEL [=n] && MMU [=y]
RVC 指令长度
在 RISC-V Spec Chapter 16 的 “16.1 Overview” 一节讲到：
RVC uses a simple compression scheme that offers shorter 16-bit versions of common 32-bit RISC-V instructions when:
• the immediate or address offset is small, or • one of the registers is the zero register (x0), the ABI link register (x1), or the ABI stack pointer (x2), or • the destination register and the first source register are identical, or • the registers used are the 8 most popular ones.
The C extension is compatible with all other standard instruction extensions. The C extension allows 16-bit instructions to be freely intermixed with 32-bit instructions, with the latter now able to start on any 16-bit boundary, i.e., IALIGN=16. With the addition of the C extension, no instructions can raise instruction-address-misaligned exceptions.
因此，RVC 指令长度为 16 位，即 2 个字节。
所以，该 patch 需要追加如下定义：
// arch/riscv/include/asm/jump_label.h
+#ifdef CONFIG_RISCV_ISA_C
+#define JUMP_LABEL_NOP_SIZE 2
+#else
#define JUMP_LABEL_NOP_SIZE 4
+#endif
RVC 指令编码
之前有介绍过如何编码 NOP 和 JAL/J offset，类似地，这里需要针对 RVC 的 C.NOP 和 C.JAL/C.J offset 进行编码。
C.NOP
在 RISC-V Spec Chapter 16 的 “16.5 Integer Computational Instructions” 一节可知，C.NOP 同样复用 C.ADDI 编码：
15 - 13 | 1 2 | 11 - 7 | 6 - 2 | 1 - 0 | Bits
--------|----------|---------|------------|----------|------------
funct3 | imm[5] | rd/rs1 | imm[4:0] | opcode | CI-Type Instruction
C.ADDI | nzimm[5] | dest̸=0 | nzimm[4:0] | C1 | C.ADDI
C.ADDI adds the non-zero sign-extended 6-bit immediate to the value in register rd then writes the result to rd. C.ADDI expands into addi rd, rd, nzimm[5:0]. C.ADDI is only valid when rd̸=x0 and nzimm̸=0. The code points with rd=x0 encode the C.NOP instruction
15 - 13 | 12 | 11 - 7 | 6 - 2 | 1 - 0 | Bits
--------|----------|---------|------------|----------|------------
funct3 | imm[5] | rd/rs1 | imm[4:0] | opcode | CI-Type Instruction
C.NOP | 0 | 0 | 0 | C1 | C.NOP
C.NOP is a CI-format instruction that does not change any user-visible state, except for advancing the pc and incrementing any applicable performance counters. C.NOP expands to nop. C.NOP is only valid when imm=0
然后在 16.8 节的 “RVC Instruction Set Listings” 表中，可以找到 C.NOP 的最终编码：
15 - 13 | 12 | 11 - 7 | 6 - 2 | 1 - 0 | Bits
--------|----------|---------|------------|----------|------------
funct3 | imm[5] | rd/rs1 | imm[4:0] | opcode | CI-Type Instruction
000 | 0 | 0 | 0 | 01 | C.NOP
因此，C.NOP 可以编码为 0x01，该 Patch 中的对应定义为：
#define RISCV_INSN_NOP 0x0001U
C.JAL/C.J offset
在 RISC-V Spec Chapter 16 的 “16.4 Control Transfer Instructions” 一节中讲到：
15 - 13 | 12 - 2 | 1 - 0 | Bits
--------|-------------------------------|----------|------------
funct3 | imm | opcode | CJ-Type Instruction
C.J | imm[11|4|9:8|10|6|7|3:1|5] | C1 | C.J
C.J performs an unconditional control transfer. The offset is sign-extended and added to the pc to form the jump target address. C.J can therefore target a ±2 KiB range. C.J expands to jal x0, offset[11:1].
C.JAL is an RV32C-only instruction that performs the same operation as C.J, but additionally writes the address of the instruction following the jump (pc+2) to the link register, x1. C.JAL expands to jal x1, offset[11:1].
需要注意的是，不同于 non RVC 的情况，这里的 C.JAL 只面向 RV32C，而 C.J 更通用，另外，其 offset 编码仅剩 12 位，跳转范围缩减到 ±2K。
然后在 16.8 节的 “RVC Instruction Set Listings” 表中，可以找到 C.J 的最终编码：
15 - 13 | 12 - 2 | 1 - 0 | Bits
--------|-------------------------------|----------|------------
funct3 | imm | opcode | CJ-Type Instruction
101 | imm[11|4|9:8|10|6|7|3:1|5] | 01 | C.J
因此，该 Patch 中的对应定义为：
#define RISCV_INSN_C_J 0xa001U
C.NOP 和 C.J 完整定义
结合上面的编码过程，汇总后，该 Patch 针对 RVC 的指令编码如下：
// arch/riscv/kernel/jump_label.c
+#ifdef CONFIG_RISCV_ISA_C
+#define RISCV_INSN_NOP 0x0001U
+#define RISCV_INSN_C_J 0xa001U
+#else
#define RISCV_INSN_NOP 0x00000013U
#define RISCV_INSN_JAL 0x0000006fU
+#endif
RVC Static Branch 实现
接下来，就是去实现针对 RVC 的 Jump Label 核心架构相关代码。
静态部分
首先是汇编部分，针对 RVC，需要把原有的 nop 和 jal 替换为 c.nop 和 c.j。
// arch/riscv/include/asm/jump_label.h
static __always_inline bool arch_static_branch(struct static_key * const key,
const bool branch)
{
asm_volatile_goto(
- " .align 2 \n\t"
" .option push \n\t"
" .option norelax \n\t"
- " .option norvc \n\t"
+#ifdef CONFIG_RISCV_ISA_C
+ "1: c.nop \n\t"
+#else
"1: nop \n\t"
+#endif
" .option pop \n\t"
" .pushsection __jump_table, \"aw\" \n\t"
" .align " RISCV_LGPTR " \n\t"
@@ -40,11 +46,13 @@ static __always_inline bool arch_static_branch_jump(struct static_key * const ke
const bool branch)
{
asm_volatile_goto(
- " .align 2 \n\t"
" .option push \n\t"
" .option norelax \n\t"
- " .option norvc \n\t"
+#ifdef CONFIG_RISCV_ISA_C
+ "1: c.j %l[label] \n\t"
+#else
"1: jal zero, %l[label] \n\t"
+#endif
" .option pop \n\t"
" .pushsection __jump_table, \"aw\" \n\t"
" .align " RISCV_LGPTR " \n\t"
更简洁的写法其实可以定义另外的宏，例如：
#ifdef CONFIG_RISCV_ISA_C
#define RISCV_INSN_C_NOP_NAME "c.nop"
#define RISCV_INSN_C_J_NAME "c.j"
#else
#define RISCV_INSN_C_NOP_NAME "nop"
#define RISCV_INSN_C_J_NAME "j"
#endif
然后在代码中直接使用宏替换原有的 “nop” 和 “jal zero, ”，这样可以提升代码可读性。
需要特别讨论的是，在这个 Patch 中，删除了 “.align 2” 和 “.option norvc” 两行代码：
- 第二个比较容易理解，即启用 RVC 以后，不应该继续禁用 RVC，反之，那意味着原来的 “.option norvc” 针对未启用 RVC 的情况不是必须的，也就是压根不会用到 RVC 指令，所以没必要加 “.option norvc”。
- 而为什么要删除 “.align 2” 呢？这行代码实际上在 v6.1 中都还不存在，而是跟该 Patch 一同发出来，这行代码是配合 “.option norvc” 使用的，强制对齐到 4 字节（32bit），以避免在某些情况下出现动态写入 NOP 和 JAL 各一半的情况，详细解释请参考 riscv: jump_label: Fixup unaligned arch_static_branch function。
- 如果要考虑这块的完整兼容，这里简单删除 “.align 2” 似乎跟原有逻辑并不一致，也许需要针对 RVC 添加独立的
arch_static_branch_jump()，有待进一步确认。
动态部分
接下来是 C 语言部分的实现，即动态替换时需要编码 C.NOP 和 C.J 并做范围判断的更新。该 Patch 的实现如下：
void arch_jump_label_transform(struct jump_entry *entry,
enum jump_label_type type)
{
void *addr = (void *)jump_entry_code(entry);
+#ifdef CONFIG_RISCV_ISA_C
+ u16 insn;
+#else
u32 insn;
+#endif
if (type == JUMP_LABEL_JMP) {
long offset = jump_entry_target(entry) - jump_entry_code(entry);
-
- if (WARN_ON(offset & 1 || offset < -524288 || offset >= 524288))
+ if (WARN_ON(offset & 1 || offset < -2048 || offset >= 2048))
return;
+#ifdef CONFIG_RISCV_ISA_C
+ /*
+ * 001 | imm[11|4|9:8|10|6|7|3:1|5] 01 - C.J
+ */
+ insn = RISCV_INSN_C_J |
+ (((u16)offset & GENMASK(5, 5)) >> (5 - 2)) |
+ (((u16)offset & GENMASK(3, 1)) << (3 - 1)) |
+ (((u16)offset & GENMASK(7, 7)) >> (7 - 6)) |
+ (((u16)offset & GENMASK(6, 6)) << (7 - 6)) |
+ (((u16)offset & GENMASK(10, 10)) >> (10 - 8)) |
+ (((u16)offset & GENMASK(9, 8)) << (9 - 8)) |
+ (((u16)offset & GENMASK(4, 4)) << (11 - 4)) |
+ (((u16)offset & GENMASK(11, 11)) << (12 - 11));
+#else
+ /*
+ * imm[20|10:1|11|19:12] | rd | 1101111 - JAL
+ */
insn = RISCV_INSN_JAL |
(((u32)offset & GENMASK(19, 12)) << (12 - 12)) |
(((u32)offset & GENMASK(11, 11)) << (20 - 11)) |
(((u32)offset & GENMASK(10, 1)) << (21 - 1)) |
(((u32)offset & GENMASK(20, 20)) << (31 - 20));
+#endif
} else {
insn = RISCV_INSN_NOP;
}
同样地，为了减少条件编译，提升代码的可读性，可以增加针对 RVC 的独立 arch_jump_label_transform() 实现。
需要补充的是，该 Patch 把 offset 的范围从 1M 改到了 4KB，这个是符合 RISC-V Spec 针对 C.J 的 “±2 KiB range” 跳转约定，但实际上，针对 non RVC 的情况，保留原有的更大跳转范围（±1 MiB range）似乎更为合理。当然，原有的 offset 范围判断也有误，需要修改代码，从 ±524288 改为 ±1048576。
小结
本文简单分析了针对 RVC 的 Jump Label Patch，该 Patch 可以进一步减少 Jump Label 在启用 RISC-V “C” 扩展后的内核代码空间占用。
经过分析，该 Patch 在代码阅读性和兼容性方面存在进一步优化的空间。
参考资料
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