【RISC-V 指令集】RISC-V 向量V扩展指令集介绍(七)- 向量算术指令格式

  1. 引言

以下是《riscv-v-spec-1.0.pdf》文档的关键内容：
这是一份关于向量扩展的详细技术文档，内容覆盖了向量指令集的多个关键方面，如向量寄存器状态映射、向量指令格式、向量加载和存储操作、向量内存对齐约束、向量内存一致性模型、向量算术指令格式、向量整数和浮点算术指令、向量归约操作、向量掩码指令、向量置换指令、异常处理以及标准向量扩展等。
首先，文档定义了向量元素和向量寄存器状态之间的映射关系，并阐述了向量指令的格式。在此基础上，提出了配置设置指令，如vsetvl、ivsetiv和vlsetvl，用于设定向量长度（VL）和向量对齐长度（AVL）。
接着，文档详细说明了向量加载和存储操作，以及向量内存对齐和一致性模型。这些模型确保了向量操作的高效性和准确性。
然后，文档介绍了向量算术指令格式，包括向量整数、固定点和浮点算术指令。这些指令支持广泛的数学运算，为高性能计算提供了强大的支持。
此外，文档还涉及向量归约操作、掩码指令和置换指令，这些指令增强了向量操作的灵活性和功能性。
最后，文档讨论了异常处理机制，并列举了标准向量扩展指令列表。这些扩展指令为向量处理器提供了丰富的功能集，使其能够适应不同的应用场景和性能需求。
综上所述，这份文档为向量指令集的设计和实现提供了全面的指导和参考，有助于开发者更好地理解和利用向量处理器的能力。

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10. 向量算术指令格式

向量算术指令使用了一个新的主要操作码（OP-V = 10101112），它与OP-FP相邻。三位的funct3字段用于定义向量指令的子类别。
OP-V主要操作码下的向量算术指令格式：

​

10.1. 向量算术指令编码

The funct3 field encodes the operand type and source locations.

Table 15. funct3

funct3[2:0]			Category	Operand	Type of Scale Operand
0	0	0	OPIVV	vector-vector	N/A
0	0	1	OPFVV	vector-vector	N/A
0	1	0	OPMVV	vector-vector	N/A
0	1	1	OPIVI	vector-immediate	imm[4:0]
1	0	0	OPIVX	vector-scalar	GPR x register rs1
1	0	1	OPFVF	vector-scalar	FP f register rs1
1	1	0	OPMVX	vector-scalar	GPR x register rs1
1	1	1	OPCFG	scalars-imms	GPR x register rs1 & rs2/imm

整数操作根据操作码使用无符号或二进制补码有符号整数算术执行。

注意：在此讨论中，Fixed-point（固定点）操作被视为整数操作。

所有标准的向量浮点算术操作都遵循IEEE-754/2008标准。所有向量浮点操作都使用frm寄存器中的动态舍入模式。当任何向量浮点指令（即使是不依赖于舍入模式的指令）在frm字段包含无效的舍入模式时，或者当vl=0，或者当vstart=vl时，使用frm字段是保留的。

注意：所有向量浮点代码都将依赖于frm中的有效值。当舍入模式无效时，为简化控制逻辑，实现可以使所有向量浮点指令报告异常。

向量-向量操作分别从vs2和vs1指定的向量寄存器组中获取两个操作数向量。

向量-标量操作有三种可能的形式。在这三种形式中，向量寄存器组操作数由vs2指定。第二个标量源操作数来自三个替代来源之一：

1. 对于整数操作，标量可以是一个5位立即数，即imm[4:0]，编码在rs1字段中。除非另有规定，否则该值将符号扩展到SEW位。

2. 对于整数操作，标量可以从rs1指定的标量x寄存器中获取。如果XLEN>SEW，则使用x寄存器的最低有效SEW位，除非另有规定。如果XLEN<SEW，则从x寄存器中的值将符号扩展到SEW位。

3. 对于浮点操作，标量可以从标量f寄存器中获取。如果FLEN>SEW，将检查f寄存器中的值是否为有效的NaN装箱值，在这种情况下，将使用f寄存器的最低有效SEW位，否则将使用规范的NaN值。任何浮点向量操作数的EEW不是受支持的浮点类型宽度（包括FLEN<SEW的情况）的向量指令都是保留的。

注意：

有些指令将5位立即数零扩展，并在汇编语法中通过命名立即数uimm来表示这一点。

在向拟议的Zinx/Zdinx/Zhinx扩展添加向量扩展时，浮点标量参数从x寄存器中获取。这些扩展不支持NaN装箱，因此向量浮点标量值的产生遵循与整数标量操作数相同的规则（即，当XLEN>SEW时，使用最低的SEW位；当XLEN<SEW时，使用符号扩展的值）。

向量算术指令在vm字段的控制下被屏蔽。

# Assembly syntax pattern for vector binary arithmetic instructions
# Operations returning vector results, masked by vm (v0.t, <nothing>)
vop.vv  vd, vs2, vs1, vm  # integer vector-vector      vd[i] = vs2[i] op vs1[i]
vop.vx  vd, vs2, rs1, vm  # integer vector-scala r      vd[i] = vs2[i] op x[rs1]
vop.vi  vd, vs2, imm, vm  # integer vector-immediate   vd[i] = vs2[i] op imm
vfop.vv  vd, vs2, vs1, vm # FP vector-vector operation vd[i] = vs2[i] fop vs1[i]
vfop.vf  vd, vs2, rs1, vm # FP vector-scalar operation vd[i] = vs2[i] fop f[rs1]

在编码中，vs2 是第一个操作数，而 rs1/imm 是第二个操作数。这与标准的标量排序相反。这样的安排保留了现有的编码约定，即只读取一个标量寄存器的指令会从 rs1 读取，而 5 位立即数则来源于 rs1 字段。

# Assembly syntax pattern for vector ternary arithmetic instructions (multiply-add)
# Integer operations overwriting sum input
vop.vv vd, vs1, vs2, vm  # vd[i] = vs1[i] * vs2[i] + vd[i]
vop.vx vd, rs1, vs2, vm  # vd[i] = x[rs1] * vs2[i] + vd[i]
# Integer operations overwriting product input
vop.vv vd, vs1, vs2, vm  # vd[i] = vs1[i] * vd[i] + vs2[i]
vop.vx vd, rs1, vs2, vm  # vd[i] = x[rs1] * vd[i] + vs2[i]
# Floating-point operations overwriting sum input
vfop.vv vd, vs1, vs2, vm  # vd[i] = vs1[i] * vs2[i] + vd[i]
vfop.vf vd, rs1, vs2, vm  # vd[i] = f[rs1] * vs2[i] + vd[i]
# Floating-point operations overwriting product input
vfop.vv vd, vs1, vs2, vm  # vd[i] = vs1[i] * vd[i] + vs2[i]
vfop.vf vd, rs1, vs2, vm  # vd[i] = f[rs1] * vd[i] + vs2[i]

对于三元乘法-加法操作，汇编器语法总是首先放置目标向量寄存器，然后放置 rs1 或 vs1，接着是 vs2。这种排序为这些三元操作提供了更自然的汇编器读取方式，因为乘法操作数总是相邻的。

10.2 扩展算术指令

定义了一些向量算术指令为扩展操作，其中目标向量寄存器组的EEW=2SEW且EMUL=2LMUL。这些指令的操作码前一般会加上vw前缀，对于向量浮点指令，则加上vfw前缀。

Assembly syntax pattern for vector widening arithmetic instructions
# Double-width result, two single-width sources: 2*SEW = SEW op SEW
vwop.vv  vd, vs2, vs1, vm  # integer vector-vector      vd[i] = vs2[i] op vs1[i]
vwop.vx  vd, vs2, rs1, vm  # integer vector-scala r      vd[i] = vs2[i] op x[rs1]
# Double-width result, first source double-width, second source single-width: 2*SEW = 2*SEW op SEW
vwop.wv  vd, vs2, vs1, vm  # integer vector-vector      vd[i] = vs2[i] op vs1[i]
vwop.wx  vd, vs2, rs1, vm  # integer vector-scala r      vd[i] = vs2[i] op x[rs1]

注意：

原本，我们在操作码上使用了w后缀，但这可能与w后缀表示双字整数中的字大小操作混淆，因此将w移动到前缀位置。

为了使浮点扩展操作与任何将写为fw的标量扩展浮点操作更加一致，已将浮点扩展操作从vwf更改为vfw*。

扩展指令编码必须遵循“向量操作数”部分中的约束。

10.3 缩小指令编码

提供了一些指令，用于将双宽度的源向量转换为单宽度的目标向量。这些指令将vs2指定的向量寄存器组（其中EEW/EMUL=2SEW/2LMUL）转换为具有当前SEW/LMUL设置的向量寄存器组。如果存在第二个源向量寄存器组（由vs1指定），则其宽度与结果（即EEW=SEW）相同（更窄）。

注意：另一种设计决策是将SEW/LMUL视为定义源向量寄存器组的大小。这里的选择是基于这样一种信念，即所选的方法将需要更少的vtype更改。

设置掩码寄存器的比较操作也隐含着一个缩小操作。在汇编器中，操作码上的vn前缀用于区分这些指令，对于缩小浮点操作码，则使用vfn前缀。双宽度源向量寄存器组由源操作数后缀中的w表示（例如，vnsra .wv）。

Assembly syntax pattern for vector narrowing arithmetic instructions
# Single-width result vd, double-width source vs2, single-width source vs1/rs1
# SEW = 2*SEW op SEW
vnop.wv  vd, vs2, vs1, vm  # integer vector-vector      vd[i] = vs2[i] op vs1[i]
vnop.wx  vd, vs2, rs1, vm  # integer vector-scala r      vd[i] = vs2[i] op x[rs1]

缩小指令编码必须遵循“向量操作数”部分中的约束。