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RSIC-V——指令集spec阅读笔记——向量扩展0.9

article 2025/8/27 1:22:13

1. V扩展简介

基本

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
RVV矢量长度可变
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

VLEN：向量寄存器宽度，要求VLEN ≥ ELEN
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。
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）
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。
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。
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
AVL：外部要求的参与运算的元素个数
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

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。

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。
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

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
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
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。

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

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

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。

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

RVV软硬件生态

开源硬件

目前实现rvv扩展的CPU
玄铁C910: rvv-0.7.1
晶心科技NX27V：晶心科技推出突破性的RISC-V 27系列处理器及向量扩展指令处理器-电子发烧友网

工具链

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
可参考链接：RISC-V "V"(向量)扩展Intrinsics - 知乎
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
优化编译的支持情况
TSVC博客：RISC-V自动向量化测试报告 - 知乎
TSVC测试：https://dl.acm.org/doi/fullHtml/10.1145/335684