RV32FDQ/RV64RDQ指令集(1)

      Risc-V架构定义了可选的单精度浮点指令(F扩展指令集)和双精度浮点指令(D扩展指令集)。Risc-V架构规定:处理器可以选择只实现F扩展指令子集而不支持D扩展指令子集;但是如果支持了D扩展指令子集,则必须支持F扩展指令子集。Risc-V架构规定的浮点数符合IEEE754 2008规则,可以从下面的链接了解浮点数格式的详细信息:

https://www.cnblogs.com/german-iris/p/5759557.html

      Risc-V规定,如果支持单精度浮点指令或者双精度浮点指令,则需要增加一组独立的通用浮点寄存器组,包括32个通用浮点寄存器,标号位f0到f31。如果仅支持F扩展指令子集,则每个通用寄存器是32位的,如果支持D扩展那指令子集,则每个通用寄存器是64位的。

Risc-V架构规定,如果支持单精度浮点指令或者双精度浮点指令,需要增加一个浮点控制状态寄存器fcsr,该寄存器是一个可读可写的csr寄存器。

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fcsr寄存器包含浮点异常标志域(fflags),不同的标志位表示不同的异常类型。如果浮点运算单元在运算中出现了相应的异常,则会将fcsr寄存器中对应的标志位设置为1,且会一直保持累积。软件可以通过写0的方式单独清除某个异常标志位。

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根据IEEE-754标准,浮点运算需要指定舍入模式(rounding mode),Risc-V架构浮点运算的舍入模式可以通过两种方式指定。

使用静态舍入模式,浮点指令编码中有3位作为舍入模式域,不同的舍入模式编码如下图,Risc-V支持5种合法的舍入模式。如果舍入模式编码为101或110,则为非法模式;如果舍入模式编码为111,则意味着使用动态舍入模式。如果使用动态舍入模式,则使用fcsr寄存器中的舍入模式域,舍入模式域定义如上图,如果fcsr寄存器中的舍入模式域指定为非法的舍入模式,则后续浮点指令会产生非法指令异常。

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如果处理器不想使用浮点单元,比如把浮点单元关电以节省功耗,可以使用csr写指令将mstatus寄存器的FS域设置成0,将浮点单元的功能予以关闭。当浮点单元功能关闭后,任何访问浮点csr寄存器的操作或者执行浮点指令的行为将会产生非法指令异常

Risc-V规定,对于非规格化数(subnormal Numbers)的处理完全遵循IEEE754定义。

根据IEEE-754标准,在浮点数的表示中,有一类特殊编码数据属于NaN(not a number)类型,且NaN分为Signaling-NaN和Quiet-NAN。

Risc-V架构规定,如果浮点运算的结果是一个NaN数,那么使用一个固定的NaN数,将之命名为Canonical-NaN。单精度浮点对应的Canonical-NaN数值为0x7fc00000,双精度浮点对应Canonical-NaN数值为0x7ff80000_00000000

如果同时支持单精度浮点(F扩展指令子集)和双精度浮点(D扩展指令子集),由于浮点通用寄存器的宽度为64位,Risc-V架构规定单精度浮点指令产生的32位结果写入浮点通用寄存器(64位)时,将结果写入低32位,而高位全部写入数值1,RiscV架构规定此种做法称之为NaN-Boxing。NaN-boxing可以发生在如下情形:

对于单精度浮点数的读(Load)/写(store)指令和传送(Move)指令(包括FLW,FSW,FMV.W.X,FMV.X.W),如果需要将32位的数值写入通用浮点寄存器,则采用NaN-boxing的方式;如果需要将浮点通用寄存器中的数值读出,则仅使用其低32位值。

对于单精度浮点运算(compute)和符号注入(sign-injection)指令,需要判断其操作数浮点寄存器中的值是否为合法的NaN-Boxed值,即高位都是1,如果是,则正常使用其低32位,如果不是,则将此操作数当作Canonical-NaN来使用。

对于整数至单精度的浮点转化指令(比如FCVT.S.X),则采用NaN-boxing的方式写回浮点通用寄存器。对于单精度浮点至整数的转化指令(比如FCVT.X.S),需要判断其操作数浮点寄存器中的值是否为合法的NaN-boxed值(即高位都为1)。如果是,则正常使用其低32位,如果不是,则将此操作数当作Canonical-NaN来使用。

RV32FM主要包括以下指令:






对于FMAX和FMIN指令,注意一下特殊情况:

1. 如果指令的两个操作数都是NaN,那么结果为Canonical-NaN。

2. 如果只有一个操作数位NaN,则结果为非NaN的另外一个操作数。

3. 如果任意一个操作数属于Signaling-NaN,则需要在fcsr寄存器中产生NV异常标志。

4. 由于浮点数可以表示两个0值,分别是-0.0和+0.0,对于FMAX和FMIN指令而言,-0.0被认为比+0.0小。


由于浮点数的表示范围远远大于整数的表示范围,且浮点数存在某些特殊的类型(无穷大或者NaN),因此将浮点数换成整数的过程中存在诸多特殊情况,将其转化成整数的过程如下图所示:

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浮点分类指令的分类结果(10位的独热码):

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