RSIC-V——指令集 spec 阅读笔记——向量扩展 0.9

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1. V 扩展简介

  • 基本
  1. 矢量指令进行优化的硬件可以应用到图像处理、 AI 或机器学习中
  2. RVV 矢量长度可变
  3. RVV 较为考验软件部分，要求编译器能够优化代码执行向量指令
  • V 扩展中容易混的几个参数
  1. VLEN：向量寄存器宽度，要求VLEN ≥ ELEN
  2. ELEN：单个向量元素的最大宽度，要求 ELEN ≥ 8，并且必须为 2 的幂。一般的，元素宽度的最大值就是 XLEN 值。
  3. SLEN：分段距离，VLEN ≥ SLEN ≥ 32，并且必须为 2 的幂。SLEN 表示的是在相同的元素级混合宽度算术运算操作中的向量寄存器 bit 位之间的最大位移
    （该量在 rvv1.0 版本中已删去）
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  4. SEW：standard element width 标准元素宽度，向量寄存器被视为分成 VLEN / SEW 个标准宽度元素。
  5. LMUL：每组向量寄存器中向量寄存器个数， 需满足LMUL≥SEW / ELEN，即在极限情况下（VLEN=ELEN），要使得 LMUL*VLEN>=SEW，一个寄存器群要能保存一个计算元素。
  6. VLMAX：可以使用单个向量指令操作的最大元素个数，等于 VLEN/SEW*LMUL
  7. AVL：外部要求的参与运算的元素个数
  8. vl：向量长度寄存器，保存要通过向量指令更新的元素数，vl 的值为 min(VLMAX, AVL)
  • 32-bit/64-bit 区别

32 位机和 64 位机本质上没有区别，因为向量运算中基本的元素宽度 SEW 是可配置的。

唯一的区别在于特权寄存器的配置

2. V 扩展中的寄存器

riscv-v-spec 规定在基本 spec 增加了 32 个向量寄存器（记为 v0-v31，位宽均为 VLEN）和 7 个非特权 CSRs（分别为vstart, vxsat, vxrm, vcsr, vl, vtype, vlenb，位宽均为 XLEN）

1. 与特权寄存器相关配置

  • mstatus[10:9]

向量上下文状态字段 VS：mstatus[10:9]（同样包括 sstatus[10:9]）。VS 的定义类似于浮点上下文状态 FS。
当 VS 字段被设置为 Off ，试图执行任何向量指令或访问向量 CSRs 时，会引发非法指令异常；当被设置为 Initial 或 Clean ，执行更改向量状态的指令，包括向量 CSRs 指令，该字段会变为 Dirty 。

2. 普通向量寄存器

v0 寄存器一般作为掩码寄存器，其他寄存器均作为普通向量寄存器使用

3. 特殊向量寄存器

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  • vtype: 向量类型寄存器

用于解释向量寄存器文件内容的默认类型，并且只能通过 vsetvl 指令进行更新。向量类型还决定了每个向量寄存器中元素的排布，以及如何对多个向量寄存器进行分组。
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  1. vsew[2:0]：设置向量寄存器中每个元素宽度 SEW，向量寄存器被视为分成 VLEN / SEW 个标准宽度元素。
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  2. vlmul[2:0]：向量寄存器分组，多个向量寄存器可以分成一组，以便单个向量指令可以对多个向量寄存器进行操作，
    LMUL = 2^(vlmul[2:0]) VLMAX=LMUL*VLEN/SEW
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    注意：vlmul[2:0]是一个有符号数
    寄存器组可以对相同向量宽度的标准宽度元素的溢出进行有效处理，即是动态修改 vtype 值，保证 SEW/LMUL 为常量即可
    注意：在某些混合 LMUL 配置的指令中，向量寄存器的编号均采用 LMUL 最大值的配置
  3. vill: 向量类型非法，若 vill 置 1，则依赖于 vtype 的指令会引发非法指令异常，且其余的 XLEN-1 的所有值均被强制置 0
  4. vma:
  • vl: 向量元素长度寄存器

该寄存器的值是通过 vsetvli / vsetvl 两个指令自动设置的，
即选取 VLMAX= VLEN/SEM*LMUL 和 AVL（需要被应用的向量寄存器长度，通常通过一个 GPR 传递）中的较小值，给 vl 寄存器，并将该值通过一个 GPR 保存起来
vl=min(VLMAX, AVL)
通常用指令 vsetvli 设置 vtype 值，用 vsetvl 作为上下文保存

  • vlenb: 向量寄存器长度（以字节为单位）

该值为一个定值（VLEN/8），方便代码知道 VLEN 的值

注意 vlenb 和 vl 代表的意义没有直接关系，不要混淆。

  • vstart: 向量起始索引寄存器

指定向量指令要执行的第一个元素的索引。该寄存器只有在向量指令陷入时才被硬件写入，表示在其上执行陷入指令的元素（同步异常或异步中断），并且在处理可恢复陷入指令返回后，向量操作应从 vstart 指向的元素开始执行，指令执行结束后 reset vstart 值。

所有向量指令都定义为从 vstart 中给定的元素编号开始执行，并在执行结束时将 vstart 置 0。

使用 vsetvl 指令配置时，如果 vstart 寄存器中的值大于向量长度 vl 时，则不执行任何元素操作，然后 vstart 寄存器被重置为零。
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vstart、掩码、VL 设置对应的元素运算范围如上图所示。

  • vxrm: 向量定点舍入模式寄存器

定点舍入算法如下: 假设预舍入结果为 v,d位结果被舍入。然后，舍入结果为(v>> d) + r，其中r取决于下表中指定的舍入模式
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  • vxsat: 向量定点饱和标志

保存一个读写位，表示定点指令是否必须使输出值饱和，以此适应目标格式。

  • vcsr

vxrm 和 vxsat 可以通过单独 csr 指令来操作，也可以通过向量控制和状态寄存器 vcsr 来访问。

3. 指令编码格式

整数指令的编码格式
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  • 立即数若无特殊规定，均为有符号数

4. 指令功能

向量指令包括基本向量指令（必须实现的）和一些扩展指令（Z 开头、AMO）。

1. 配置指令

  • vsetvli / vsetvl

该指令用来配置 vtype 和 vl 两个寄存器的值，并将 vl 的新值写入到 rd 寄存器中。
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rs1 储存需要处理的向量大小（外部提出的需求），即 AVL（application vector length），该指令会将 AVL 与 VLMAX 作比较后取较小值赋给 vl，并赋值给 rd。这样做的目的是一方面如果 AVL>VLMAX，用来处理的向量元素不超过 SEW，另一方面使用尽可能少的资源处理数据

vsetvli 采用立即数赋值，vsetvl 用寄存器赋值

2 访存指令

  • stride/gather/scatter/segment 操作的区别

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5. 补充：RVV 软硬件生态、

  • 工具链
  1. 工具链对 intrinsic 的支持情况
    EPI、SiPearl 和 SiFive 联合发布了一份 RISC-V “V”(向量) 扩展的 Intrinsics 的规范，并且已经被 RISC-V 采纳为标准规范。GCC 工具链已经较完整支持了 RISC-V “V” 向量扩展的汇编，并且持续在跟进向量扩展的最新版本
  2. 相关工具链
    卡姆派勒开源 32bit LLVM 向量编译器：https://www.sohu.com/a/415960738_120163133
    卡姆派乐信息科技有限公司此次开源的 RISC-V 向量编译器符合 riscv-v-spec-0.8 规范，支持的指令集架构为 isa=rv32imafcv，向量长度 vlen=128，共提供 6000 多个 intrinsic 函数接口。用户可以访问https://github.com/compiler-dev/llvm-rv.git 下载源码，并根据 README.md 说明，选择从源码编译运行环境所需要的 ld、newlib 和 libgcc 等工具集，也可以直接下载我们编译好的二进制包。二进制包下载地址：https://github.com/compiler-dev/rvvtool-chain-binaries，用户将编译好的开源 llvm 代码安装到这个路径即可使用。
    开源代码中提供了每条 intrinsic 的接口说明，用户可以访问帮助文件查看每个接口的功能及参数。在目录 rvv-test/intrinsic 提供了 1500 多个测试文件（只包含 m1）。同时 rvv-test 目录下还提供了多个可以在 spike 模拟器上运行的测试用例。
    LLVM 编译器 github 链接：https://github.com/compiler-dev/llvm-rv
    编译后的可执行文件：https://github.com/compiler-dev/rvvtool-chain-binaries
  3. 优化编译的支持情况
    TSVC 博客：https://zhuanlan.zhihu.com/p/377577892
    TSVC 测试：https://dl.acm.org/doi/fullHtml/10.1145/335684
  4. opencv 支持情况
    参考链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/291207654?utm_source=wechat_timeline&utm_medium=social&s_r=0