RFC-0151：CPU 指定目標的編譯器調整標記

RFC-0151：CPU 指定目標的編譯器調整旗標
狀態	已接受
領域	工具鏈
說明	提議變更用於管理 CPU 指定目標的編譯器旗標，以及這些標記對平台和 SDK 版本的影響。
問題	90784
毛皮變化	624521
作者	shayba@google.com
審查人員	phosek@google.com aaronwood@google.com mvanotti@google.com mcgrathr@google.com digit@google.com travisg@google.com cpu@google.com
提交日期 (年-月-日)	2022-01-04
審查日期 (年-月-日)	2022-02-02

摘要

提議變更用於管理 CPU 目標及其影響的編譯器旗標 平台和 SDK 版本

提振精神

Fuchsia 的版本產生許多構件，內含可執行的機器程式碼 適合不同架構的應用範例例如：預先建構共用 發布供 SDK 使用的程式庫，或可執行的 C/C++、 平台和產品系統映像檔包含的 Rust 二進位檔。時間 在編譯器中產生機器碼時，請務必指出下列事項：

目標架構：要使用哪些指令集架構？例如 x86-64 或 AArch64 ISA。此外，編譯器可能會鎖定 ISA 修訂版本。 修訂版本可能會針對現有內容提供額外指示或變化版本 指示，例如新的浮點或 SIMD 指令，或較寬的原子 這些記憶體作業可以大幅改善效能重點在於 瞭解目標架構，生成程式碼保證可運作 指定裝置的 Cookie。「竄升」目標架構就能解鎖新功能 因為與舊版硬體回溯相容性的成本相當低廉

高於：ARM ISA 的進展 (資料來源)

目標微架構目標：如何實作 ISA？這通常 依照指令是依序執行 順序錯誤、解碼頻寬、快取載入延遲時間等 微架構可讓編譯器產生可能會執行的機器程式碼 ，且不影響硬體相容性。

上方：Intel Core 2 微架構區塊圖 (資料來源)

編譯器可讓使用者以待審查的方式指定這些目標 Fuchsia 的建構系統能夠針對 採計Fuchsia 中現有的 CPU 鎖定實作方式 建置了一些缺點，而這個 RFC 旨在解決下列問題：

1. 為 arm64 選擇的基準設定是鎖定特定 CPU (Cortex-A53)，而非 ISA 搭配功能。如此一來 。

2. 由於缺少過往藝術品，因此不清楚如何為這個基準設定覆寫值 但沒有明確記錄的政策或最佳做法因此 Fuchsia 以此為基礎 但會改回使用基準，包括指定的建構設定 明確排除在基準外的硬體

這些缺點從 2016 年問世以來，至今出現了這些缺點， 。目前的系統是 在第一部裝置上出貨 (剛好採用相同的微型架構) 作為目前平台 arm64 基準)。

近期的開發記錄指出該進行改版。具體而言， 除了以 Cortex-A53 為目標的天文和 Sherlock 主機外， Fuchsia 現在支援 Nelson 主機板設定 (Cortex-A55) 以及 Atlas 板設定（Intel Amber Lake）。不過，這些版本 但目前並未設定使用 GCP 控制台 基準與實際目標

此外，越來越多人使用 進而增加運作更清楚地定義 會加快基準配置和特定主機板的設定 相關工作。另請參閱：

• RFC-0073：將 x86-64 平台要求提高至 x86-64-v2
• RFC-0111：初始 Fuchsia 硬體平台規格
• RFC-0130：支援的硬體

為了滿足現在與未來的挑戰，此 RFC 提出立即變更提案 到建構中的 CPU 指定功能，以及 在可預見的未來中管理指定目標

相關人員

講師： cpu@google.com

審查者：

• aaronwood@google.com - 系統組合
• digit@google.com - 版本
• mcgrathr@google.com - 核心
• mvanotti@google.com - 安全性
• maniscalco@google.com - 核心
• phosek@google.com - 工具鍊
• travisg@google.com - 核心

諮詢：

由於提議的變更會影響平台的大範圍，因此 都鼓勵我按照諮詢的方式思考特別歡迎意見回饋 並提供圖像、媒體和 SDK 等團隊的協助

社交功能：

這份提案的重點在經過 60 分鐘的簡報後首次經過審查 都是由 Fuchsia 的核心演進工作小組 共同討論的議題

背景

編譯時間調整旗標

Fuchsia 使用 clang 編譯 C/C++，搭配部分 Fuchsia 程式碼 持續建構及測試 gcc這兩項工具都提供下列功能： 旗標：

-march：設定目標架構，例如 x86-64-v2 (我們的 。RFC-0073) 或 ARMv8-A。您也可以選擇一併指定 其他架構功能，例如 +avx2 執行個體代表 Intel Haswell 大於 x64 基準的擴充功能

-mtune：設定目標微架構，例如 cortex-a53 或 haswell。如果 -mtune 和 -mcpu 都未使用，此值會設為 generic 可指定在各種目標 CPU 間取得平衡。

-mcpu：設定目標 CPU。接受與 -mtune 類似的值。ARM 專用 這相當於設定目標架構 (-march) 和目標 CPU 用於比對目標 CPU 的微架構 (-mtune)。在 x86 上，系統會將這部分 已淘汰，指定的值會重新導向至 -mtune。

Rust 編譯器提供程式碼產生選項，如下所示：

target-cpu：與 -mcpu 類似，接受執行個體 cortex-a53。

target-features：與 -march 功能類似，例如 +avx2。

目前狀態

目前所有 x64 版本均使用 -march=x86-64-v2 和所有 ARM 編譯而成 是使用 -mcpu=cortex-a53 編譯而成

已有透過 GN 引數覆寫這項設定的機制 名為 board_configs 的命名空間，可遭到 .gni 檔案。某些主機板 (尤其是天文和新星) 會手動指定 上述的 Cortex-A53 設定， 如果未定義覆寫，則相同設定也可做為備用選項。 大部分的主機板設定都未設定 board_configs。

調整目標和權衡取捨

本節會簡單複習在設定 CPU 時應考量的不同目標 兩者之間的差異

硬體相容性：鎖定早期版 ISA 解鎖功能 與舊版硬體相容提高相容性，代價是 無法使用具有效能或安全性的新 ISA 功能 好處

成效：提供新的操作說明，可使成效提升至更快或更寬 內建原子運算、加速數學 (FPU、SIMD 改善)、內建 常見演算法 (如 CRC 和 AES) 的加速器。調整機器碼 特定 CPU 可能產生在目標 CPU 上執行速度更快的程式碼 費用通常不至目標之外的其他 CPU 效能下降 參數。

與二進位檔大小互動：經觀察到調整，可以增加二進位檔大小 在某些情況下，例如指示排程最佳化時 鎖定訂單處理端處理器會增加登錄壓力

二進位檔大小：部分 Codegen 功能是透過特定 CPU 功能解鎖。 舉例來說，SIMD 可以啟用自動向量化功能， 和循環釋放類似，其實可以產生 但規模更大按照順序 CPU 調整的指示排程往往 會產生更大的程式碼，因為這樣會提供更多排程限制 提高機箱壓力，並防止機殼溢出

其他 Codegen 功能可以縮減二進位檔的大小。例如將 像是 CRC 與 AES 等具有特殊指示的演算法，就會產生 既快速又小

輕鬆進行疑難排解，即二進位檔多樣性：針對不同 CPU 調整 意味著隨著時間的推移，產生更多相同邏輯構件的二進位檔變化版本。 例如使用多個「變種版本」一個核心映像檔，或預先建構的共用儲存空間 程式庫，每個程式庫都針對不同的目標進行最佳化。這可能會導致問題 或公開 Fuchsia 更容易發生在某些二進位檔中 而非其他變化版本

等級競爭：除了基準版本之外，Fchsia 也可以提供 SDK 預先建構 (系統映像檔、可轉散發的共用資料庫) 調整到 以及特定 CPU這會授予您有限權限，僅為部分硬體選擇 。合理假設建立的是經過調整的 SDK 變種版本 會導致未來預期能夠提供更調整過的 SDK 版本 頻道。

簡單易用：以上所有功能都會讓開發人員更難瞭解 Fuchsia， 以及維護 Fuchsia 的成功關鍵上述的優缺點 用於設定 CPU 指定目標選項，在其所屬區域導入二進位檔多樣性 建立和發布 例如針對 OTA 版本的建構和發布管道 特定使用者硬體的憑證在撰寫本文時 能夠提供多個二進位檔的系統或套件提交機制 不同的目標硬體，將正確的二進位檔與裝置配對。

提案

您可以在這項變更中查看立即提議的修改。 詳情請參閱下方說明。

新增 arm64 基準硬體目標

arm64 目前的基準定義為 Cortex-A53 指定，如下所示：

-mcpu=cortex-a53

這在技術上等同於以精確組合的形式表示 -march ，以及為 Cortex-A53 調整 Codegen。

-march=<armv8a + Cortex-A53 features>
-mtune=cortex-a53

而是會顯示 ARMv8-A ISA 特徵 因此被認定為基準，接著調整 一般 armv8a CPU 的 Codegen

-march=armv8-a+simd+crc+crypto
-mtune=generic

由於移除 -march 項功能，對 -march 的影響有效 但 Cortex-A53 支援，但程式碼並未執行，這屬於免人工管理。

由於一般調整目標，因此對 -mtune 的影響微乎其微 針對一般順序 ARMv8-A CPU (例如 Cortex-A53) 進行最佳化。

現有 x64 基準硬體目標的變更

x64 目前的基準如下：

-march=x86-64-v2

這個主題之前已在上述中討論 RFC-0073：將 x86-64 平台要求提高至 x86-64-v2。

這會變更為下列標記：

-march=x86-64-v2
-mtune=generic

這不是行為變更，因為 -mtune 會在下列情況下預設為 generic 沒有指定 -mtune 和 -mcpu，如先前所述。不過 新增 -mtune=generic 可讓行為更明確，且與 arm64 基準的定義

主機專屬設定

board_configs 主面板引數，在主面板專用的 .gni 檔案中指定 (例如在 //boards/ 中找到的事件)，會繼續用來覆寫 以及主機專屬設定。

具體來說，主機板設定，例如 astro.gni 和 sherlock.gni 使用 Cortex-A53，會繼續指定 Cortex-A53 並保留 -mcpu=cortex-a53 設定。

此 RFC 基本上會採用目標為 Cortex-A53 從平台基準中擷取資料，並擷取至特定主機平台 配置這類 CPU 的 太空與 Sherlock 電路板接著， RFC 根據 ARM ISA 的術語重新定義了平台基準， 硬體選擇，而不是單一 ARM CPU

此外，您可以為最佳化指定目標對象 未來的架構變化版本 (例如 ARM Cortex-A73 或 Intel AVX 擴充功能) SDK 的後續版本這有利於進一步討論，且不在測試範圍內。

核心設定

board_configs 引數不會再套用至核心映像檔。這是 原因如下：

1. 需要在 codegen 中掌握的新指令或其他 CPU 功能 但時間並未對核心帶來好處。

2. 微調核心程式碼，雖然微架構架構調整，但 減少二進位檔的多元性和複雜度增加的成本。

核心可以繼續提供支援的硬體相關資訊 例如使用 zx_system_get_features Syscall。

此外，核心仍可使用一些較新的硬體 像是 64 kB 記憶體頁面 ，只會在執行階段查詢這些功能是否存在。如果是 這類功能需要主機專屬設定才能使用 就可以輕鬆導入新引數 kernel_board_configs 來定義 以及相關的旗標

回溯相容性

此 RFC 中提議的立即變更並未提高 Fuchsia 的最低 因此不會影響回溯相容性未來 政策規定能提高最低要求 這個 RFC 提倡條件

安全性考量

Fuchsia 使用或打算使用多項 CPU 功能來提高安全性， 支援使用消毒液，進而提高安全性。這些一般都會 由本文所述的編譯器旗標控管，因此不必擔心。

值得注意的是：

• Userspace Top-Byte-Ignore (另請參閱 RFC-0143 是 可全面支援 AArch64 環境
• 為改善消毒液支援的新指示 (例如 ARM MTE) 或防範安全漏洞，只要確保 控制流程完整性 (例如 指標驗證和分支目標識別 或 Intel 控制流程強制執行技術)。 位於 NOP 空間中，因此可以回溯相容 (就如同 是舊版 CPU 會以 NOP 的形式執行因此，使用這些操作說明時 要求提高平台或 SDK 支援的最低 ISA 變種版本

測試

正確性：變更 CPU 指定目標設定不應降低正確性。 方法是持續進行預先提交和提交後測試。現在 就足以確保這件事情已足夠

效能：變更 CPU 指定目標設定通常會影響效能。 並利用 Fuchsia 的 Perfcompare 系統驗證這類變化， 屬於「之前」的案例。

二進位檔大小：CPU 指定目標的變更通常會稍微影響二進位檔的大小 管理基礎架構具體來說，Fuchsia 目前正在追蹤天文圖像大小 因為這是規模最有限的目標 立即變更不會迴歸這個大小影響下列項目的未來變更： 我們可能會審查產品圖片，並仔細評估 專屬 ID

缺點、替代方案和未知

CPU 目標為在工程與業務方面有許多取捨 但有時也會造成衝突的目標以上是上述審查方式。日後推出的變更 這些權衡取捨、未來調整機會和注意事項 不在 RFC 的範圍內