RSIC-V——指令集spec阅读笔记——向量扩展0.9
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
5. 补充:RVV软硬件生态、
- 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 - opencv支持情况
参考链接:GSoC项目 Optimize OpenCV for RISC-V - 知乎
- 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
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