تطوير محرك V8 JavaScript لمعالجة RISC-V

ملخص سريع

يعد تطوير محرك V8 JavaScript لمعالجة RISC-V جهداً هندسياً معقداً يركز على تكييف بيئة تشغيل عالية الأداء مع مجموعة تعليمات جديدة. يتضمن عملية النقل التعامل مع تعقيدات نظام التجميع متعدد المستويات لـ V8، والذي يتضمن مكونات مثل Ignition (المفسر) وTurbofan (محرك التحسين).

تتطلب عملية تقنية كبيرة لربط العمليات الداخلية لـ V8 مع مجموعة تعليمات RISC-V المحددة، وخاصة المتغير RV64GC. وهذا يتضمن تنفيذ دعم لتعليمات الأعداد الصحيحة الأساسية، والامتدادات القياسية (F و D للأعداد العشرية)، وامتداد التعليمات المضغوطة (C). يعالج عملية التطوير تحديات حرجة مثل تخصيص السجلات، وقيود ترتيب الذاكرة، وتكييف آليات جمع القمامة لـ V8 للعمل بكفاءة مع نموذج الذاكرة الخاص بـ RISC-V.

تم تحقيق تقدم في محرك التجميع الأساسي، مما أسس أساساً وظيفياً لتوليد التعليمات. يتم توجيه مزيد من العمل نحو محرك التحسين، والذي يتطلب اختيار تعليمات متقدم والجدولة لاستغلال قدرات RISC-V بالكامل. يفصل المقال الجهود الجارية لدمج هذه المكونات وتحقيق أهداف أداء مقارنة بمنصات أخرى مدعومة.

نقل V8 إلى RISC-V: الأسس التقنية

يتطلب نقل محرك V8 JavaScript إلى معالجة جديدة مثل RISC-V فهماً عميقاً لكل من البنية الداخلية للمحرك ومجموعة التعليمات المستهدفة. ليس V8 كياناً متكافلاً بل نظاماً معقداً يتكون من عدة مكونات منفصلة يجب تكييفها بشكل فردي. الهدف الأساسي هو ضمان قدرة كود JavaScript على التحليل، والتفسير، والترجمة، والتنفيذ بكفاءة على أجهزة RISC-V.

يركز المرحلة الأولية من النقل على مفسر Ignition. يولد Ignition التعليمات المتوسطة التي يتم تنفيذها بعد ذلك بواسطة معالج تعليمات متوسطة خاص بالمعالجة. بالنسبة لـ RISC-V، يعني هذا كتابة روتينات التجميع أو توليد التعليمات الآلية التي تنفذ عمليات التعليمات المتوسطة. هذه الخطوة حاسمة للحصول على بيئة تشغيل أساسية تعمل، مما يسمح بتنفيذ نصوص برمجية بسيطة.

بعد المفسر، يجب التعامل مع محرك التحسين Turbofan. يأخذ Turbofan تمثيلاً متوسطاً عالياً المستوى (IR) لـ V8 ويولد تعليمات آلة محسنة. وهذا يتضمن عدة مراحل:

• اختيار التعليمات: ربط عقد IR لـ V8 بتعليمات RISC-V محددة.
• تخصيص السجلات: تعيين السجلات الافتراضية للسجلات الفعلية المتاحة على RISC-V.
• جدولة التعليمات: إعادة ترتيب التعليمات لتعظيم كفاءة خط الأنابيب على المعمارية المستهدفة.

علاوة على ذلك، يعتمد V8 بشكل كبير على آلية تُعرف باسم ضغط المؤشرات. تقلل هذه التقنية من حجم الذاكرة عن طريق تخزين إزاحات 32 بت بدلاً من مؤشرات 64 بت كاملة، بافتراض أن حجم كومة الذاكرة أقل من 4 جيجابايت. يتطلب تكييف هذا المخطط لـ RISC-V ضمان قدرة إزاحات 32 بت على التManipulation بشكل صحيح باستخدام تعليمات الأithmetic 64 بت لـ RISC-V، مما يضيف طبقة من التعقيد لجهد النقل.

تحديات RISC-V المحددة والحلول

تُقدم معالجة RISC-V تحديات فريدة تختلف عن المعالجات التقليدية مثل x86 أو ARM. أحد الاعتبارات الأساسية هو نموذج الذاكرة. يمتلك RISC-V نموذج ذاكرة ضعيف الترتيب، مما يعني أن عمليات الذاكرة (التحميل والتخزين) يمكن إعادة ترتيبها بواسطة وحدة المعالجة المركزية ما لم يتم استخدام تعليمات سياج واضحة. هذا يتناقض مع نماذج الذاكرة الأقوى الموجودة في معالجات أخرى.

يعتمد جامع القمامة لـ V8 وخطوط تجميع المتوازية على ضمانات ترتيب ذاكرة محددة للعمل بشكل صحيح. يجب على عملية النقل إدراج سياج ذاكرة مناسب بعناية أو استخدام تعليمات ذرية عند الضرورة للحفاظ على اتساق البيانات. على سبيل المثال، عند تحديث المراجع إلى الكائنات في كومة الذاكرة، فإن ترتيب الكتابات أمر بالغ الأهمية لمنع حالات السباق.

منطقة أخرى مهمة هي معالجة العمليات الذرية والأقفال. يسمح كائن SharedArrayBuffer وAtomics في JavaScript ببرمجة متعددة الخيوط في المتصفح. يتطلب التنفيذ الأساسي دعم الأجهزة للعمليات الذرية للتعديل القراءة-الكتابة (مثل LR/SC - Load-Reserved/Store-Conditional على RISC-V). يجب على عملية النقل تنفيذ هذه المبادئ الأساسية بكفاءة لدعم تطبيقات الويب الحديثة.

يقلل مجموعة التعليمات المضغوطة (الامتداد C) في RISC-V من حجم التعليمات بتوفير ترميزات 16 بت للتعليمات الشائعة. بينما يكون ذلك مفيداً للأداء (تحسين معدلات ضربة ذاكرة التخزين المؤقت للتعليمات)، فإنه يقدم تعقيداً لمحرك التجميع. يحتاج محرك Turbofan إلى أن يكون واعياً بهذه التعليمات المضغوطة ويقرر متى يكون من الأمثل استخدامها مقابل التعليمات الكاملة 32 بت، موازناً بين حجم التعليمات وسرعة التنفيذ.

الوضع الحالي والتوقعات المستقبلية

اعتباراً من أحدث التحديثات، حقق مشروع V8 على RISC-V معالم هامة. تم دمج قاعدة التعليمات في مستودع V8 الرئيسي، مما يسمح بالاختبار والتطوير المستمر. يدعم المشروع ملف RV64GC, وهو التكوين القياسي 64 بت مع دعم الأعداد الصحيحة والأعداد العشرية والتعليمات المضغوطة.

تركز الجهود الحالية على إغلاق الفجوة في الأداء بين نقل RISC-V والنقل الناضج مثل x64 وARM64. وهذا يتضمن تحليل التعليمات الآلية المولدة لتحديد المضائق وتحسين خوارزميات اختيار التعليمات والجدولة في Turbofan. تشمل مناطق التحسين المحددة:

• تحسين أداء الأعداد العشرية.
• تحسين التعليمات الآلية المولدة لوصول خصائص كائنات JavaScript.
• تقليل عبء استدعاءات الدوال وتبديل السياقات.

نظراً للمستقبل، يهدف المشروع إلى دعم الامتدادات المستقبلية لمعالجة RISC-V، مثل الامتداد V للمعالجة المتجهية، والذي يمكن أن يسرع أحمال عمل JavaScript معينة مثل معالجة الصور أو استنتاج التعلم الآلي. يظل التعاون المستمر بين مجتمع RISC-V وفريق تطوير V8 أساسياً لجلب تنفيذ JavaScript عالي الأداء إلى生态系统 RISC-V القائمة على الأجهزة المتنامية.