Разработка V8 для архитектуры RISC-V

Краткое содержание

Разработка V8 JavaScript engine для архитектуры RISC-V — это сложная инженерная задача, направленная на адаптацию высокопроизводительной среды выполнения к новой системе команд. Процесс портирования требует понимания тонкостей многоуровневой системы компиляции V8, которая включает компоненты, такие как Ignition (интерпретатор) и Turbofan (оптимизирующий компилятор).

Требуются значительные технические усилия для сопоставления внутренних операций V8 специфической системе команд RISC-V, в частности, варианту RV64GC. Это включает реализацию поддержки базовых целочисленных инструкций, стандартных расширений (F и D для чисел с плавающей запятой) и расширения сжатых инструкций (C). Процесс разработки решает критические задачи, такие как распределение регистров, ограничения упорядочивания памяти и адаптация механизмов сборки мусора V8 для эффективной работы с моделью памяти RISC-V.

Достигнут прогресс в работе базового компилятора, заложена функциональная основа для генерации кода. Дальнейшая работа направлена на оптимизирующий компилятор, который требует сложного выбора и планирования инструкций для полного использования возможностей RISC-V. В статье подробно описываются текущие усилия по интеграции этих компонентов и достижению показателей производительности, сопоставимых с другими поддерживаемыми платформами.

Портинг V8 на RISC-V: Технические основы

Портирование V8 JavaScript engine на новую архитектуру, такую как RISC-V, требует глубокого понимания как внутренней архитектуры движка, так и целевой системы команд. V8 представляет собой сложную систему, состоящую из нескольких отдельных компонентов, которые необходимо адаптировать по отдельности. Основная цель — обеспечить эффективный парсинг, интерпретацию, компиляцию и выполнение JavaScript-кода на оборудовании RISC-V.

Начальная фаза портирования фокусируется на интерпретаторе Ignition. Ignition генерирует байт-код, который затем выполняется специальным обработчиком байт-кода для конкретной платформы. Для RISC-V это означает написание ассемблерных рутин или генерацию машинного кода, реализующего операции байт-кода. Этот шаг критически важен для запуска базовой среды выполнения, позволяя выполнять простые скрипты.

После интерпретатора необходимо заняться оптимизирующим компилятором Turbofan. Turbofan — это сложный компилятор, который принимает высокоуровневое промежуточное представление (IR) V8 и генерирует оптимизированный машинный код. Это включает несколько этапов:

• Выбор инструкций: Сопоставление узлов IR V8 конкретным инструкциям RISC-V.
• Распределение регистров: Назначение виртуальных регистров физическим регистрам, доступным на RISC-V.
• Планирование инструкций: Изменение порядка инструкций для максимизации эффективности конвейера на целевой микроархитектуре.

Кроме того, V8 сильно полагается на механизм, известный как сжатие указателей. Эта техника уменьшает объем используемой памяти за счет хранения 32-битных смещений вместо полных 64-битных указателей, при условии, что размер кучи меньше 4 ГБ. Адаптация этой схемы для RISC-V требует обеспечения возможности корректной работы с 32-битными смещениями с использованием 64-битных арифметических инструкций RISC-V, что добавляет сложности в процесс портирования.

Специфические проблемы RISC-V и их решения

Архитектура RISC-V представляет уникальные проблемы, отличные от таких устаревших архитектур, как x86 или ARM. Одним из основных факторов является модель памяти. RISC-V имеет слабо упорядоченную модель памяти, что означает, что операции с памятью (загрузка и сохранение) могут быть переупорядочены процессором, если не используются явные инструкции-барьеры. Это контрастирует с более строгими моделями памяти, найденными в других архитектурах.

Сборщик мусора V8 и потоки параллельной компиляции полагаются на конкретные гарантии упорядочивания памяти для корректной работы. Порт должен аккуратно вставлять соответствующие барьеры памяти или использовать атомарные инструкции там, где это необходимо, для поддержания согласованности данных. Например, при обновлении ссылок на объекты в куче порядок записи критически важен для предотвращения состояний гонки.

Другой важной областью является обработка атомарных операций и блокировок. Объекты JavaScript SharedArrayBuffer и Atomics позволяют выполнять многопоточное программирование в браузере. Базовая реализация требует аппаратной поддержки атомарных операций чтения-модификации-записи (таких как LR/SC — Load-Reserved/Store-Conditional в RISC-V). Порт должен эффективно реализовать эти примитивы для поддержки современных веб-приложений.

Сжатый набор инструкций (расширение C) в RISC-V уменьшает размер кода, предоставляя 16-битные кодировки для распространенных инструкций. Хотя это полезно для производительности (улучшает попадания в кэш инструкций), это вносит сложности для компилятора. Компилятору Turbofan необходимо знать о этих сжатых инструкциях и решать, когда их оптимально использовать по сравнению с полными 32-битными инструкциями, балансируя между размером кода и скоростью выполнения.

Текущий статус и перспективы

По последним обновлениям, проект V8 на RISC-V достиг значительных вех. База кода была интегрирована в основной репозиторий V8, что позволяет проводить постоянное тестирование и разработку. Проект поддерживает профиль RV64GC, который является стандартной 64-битной конфигурацией с поддержкой целочисленных операций, операций с плавающей запятой и сжатых инструкций.

Текущие усилия сосредоточены на сокращении разрыва в производительности между портом для RISC-V и зрелыми портами, такими как x64 и ARM64. Это включает профилирование сгенерированного кода для выявления узких мест и оптимизацию алгоритмов выбора и планирования инструкций в Turbofan. Конкретные области оптимизации включают:

• Улучшение производительности операций с плавающей запятой.
• Оптимизацию кода, генерируемого для доступа к свойствам объектов JavaScript.
• Снижение накладных расходов на вызовы функций и переключения контекстов.

В будущем проект планирует поддерживать будущие расширения архитектуры RISC-V, такие как расширение V для векторной обработки, которое может ускорить определенные нагрузки JavaScript, такие как обработка изображений или вывод машинного обучения. Продолжающееся сотрудничество между сообществом RISC-V и командой разработчиков V8 необходимо для обеспечения высокопроизводительного выполнения JavaScript в растущей экосистеме устройств на базе RISC-V.