RISC-V生态全景解析（七）：RISC-V工具链简介

草帽王子

随着RISC-V系列内容的不断更新，我们已经逐渐完善了RISC-V知识图谱中CPU板块的内容。自本期内容起，我们将为大家推荐RISC-V工具链板块的内容。本文是RISC-V工具链内容的首篇文章，将对工具链及其重要性作简单介绍，并阐述RISC-V工具链现状，最后带大家初步了解剑池系列工具链。

前言

最近RISC-V比较火，它的开放性和可扩展性打开了人们对可定制处理器的想象空间，因此众多半导体公司纷纷加入试水，也吸引了大规模的开发者涌入。

RISC-V相关文章已经成为技术界的新生“网红”，成为开发者们的焦点。在这些文章中，“工具链”这个名词会被经常提到，但对它的介绍却寥寥无几，今天我们来揭开它的神秘面纱。


01 什么是工具链

“工具链”是英文“toolchain”的翻译，它指辅助开发者完成程序开发、调试、性能分析调优等开发优化行为的一系列工具集合。

它一般包含编译器、汇编器、链接器、调试器、模拟器等基础工具，集成开发环境作为一种图形化的综合开发工具也可以被纳入其中。由于指令集和用户编程模型不同，因此每个架构都需要一套完整的、独有的工具链。


02 工具链的重要性

可能有人会提问，既然是辅助工具，那么就是个非必需品也没有那么重要。这句话一半对一半错。

2.1 工具链的功能完备性

在计算机发展的早期，几乎没有工具链，科学家通过在程序卡片上打孔来表示不同指令的编码，计算机读取程序卡片的打孔信息执行指令流。随着制造工艺和计算机的发展，现代计算机的指令码存储于在ROM、RAM、Flash等介质中，把指令码下载到指定的存储空间需要经过复杂的控制流程，因此必须需要借助于程序下载器才能完成下载。

为了提升程序开发效率，涌现了众多的高级开发语言。目前99%以上的开发者都使用高级语言完成业务的开发，然后使用编译器把高级语言翻译成目标机器指令下载到机器中执行。因此编译器成了工具链中个必不可少的组件。

另外，程序有了bug怎么办？需要调试系统辅助开发者找到程序运行出错的原因；程序性能不够怎么办？需要性能分析器辅助开发者进行性能调优。因此，对于现代计算机系统，一套稳定、完整的开发工具链是一个架构基础的基础，所有软件的运行都依赖工具链；没有工具链，CPU和硬件无法使用，开发者寸步难行。

上面是从功能完备性说明工具链的重要性，后面通过对工具链的关键指标介绍，从原理上阐述工具链已经不是单纯的辅助工具，它是影响目标架构各方面指标的关键路径。

2.2 工具链的关键指标

工具链的关键指标可分为高效性和易用性两个方面。高效性又包括编译高效性、调试高效性、性能分析高效等，其中编译的高效性尤为重要。

通过上文介绍，编译器是用于把高级语言翻译成目标机器指令的软件；一段高级语言会被翻译成若干条机器指令，编译器在保证功能正确的前提下，翻译出的机器指令数量和质量也非常关键，直接影响程序运行所需花费的时间和程序占用空间，即影响了处理器的性能和代码密度表现。

因此，处理器性能是硬件+工具链的综合能力体现，单比较硬件频率指标没有实际意义。另外调试高效性直接影响了开发者分析解决问题效率，也是决定了处理器能否开发者接受、是否可以被广泛应用。


03 RISC-V工具链的现状

既然工具链这么重要，那么RISC-V的工具链现状如何，能否满足当前的应用需求？由于RISC-V的开放特性，加上基金会对软件生态的持续运作，吸引了大量的开发者投入到工具链的补充和完善工作上。

目前从编译工具（GCC+LLVM）、调试工具到集成开发环境，在基本功能上都已经支持，但在高效性和易用性上仍需要继续加强和提升。如：

• 编译得到的程序代码大小相对ARM仍然存在不少差距；
• 缺少性能调优工具；
• 缺少图形化实时操作系统调试工具；
• 开源的集成开发环境只支持简单的调试插件等。
  

这些方面都需要工具链开发者不断地进行完善，并通过应用场景的验证和打磨。


04 剑池系列工具链

剑池系列工具链以开源工具链为基础，根据应用场景和玄铁处理器微架构高度优化的开发工具集合（见图1）。配合玄铁Turbo指令集，在XT906上相对开源版本平均有13%的性能提升，在XT910上平均有20%的性能提升。开发了基于指令Trace的性能分析工具，配合集成开发环境的图形化界面，为开发者提供快速性能profiling和优化的能力。另外，开发了两套集成开发环境，分别面向MCU应用开发和通用应用开发，降低现有工程迁移到RISC-V架构芯片上的难度。

关于剑池系列工具链的每个工具，在后续的文章中会作详细介绍。

05 小结

工具链是一个体系架构的重要且不可缺失的组成部分，它是基础软件的基础。RISC-V工具链经过几年的发展，在功能上已经日渐完善；相信接下来的几年里，经过开源社区开发者和商业公司的共同努力，在编译调试高效性和易用性方面会有明显的提升，RISC-V的芯片也会被更多的开发者接受，被应用到各种场景。

完