用哪吒D1開發板體驗riscv向量底層編程

1.前言

2.機器模式處理器狀態寄存器（MSTATUS）

3.編譯選項支持V擴展

4.RISCV向量計算的原理

5.通過實例分析RISCV V擴展的運作機制

6.RVV使用體驗

1.前言

RISCV V擴展即向量指令擴展（RVV），這部分作為研究AI加速計算領域有著非常關鍵的作用。既然的D1支持了rvv擴展（0.7.1，最新的版本已經0.10版本），那么就實際的從底層原理角度分析一下使用的流程。利用了多媒體加速指令集，可以讓計算變得更加的高效，同時并行計算的特性使得同時多次計算一組數字成為可能，類似于arm的NEON等等，那么RISCV又該如何去開啟和使用V擴展指令，讓計算變得更加高效呢？

下面會通過一個裸機代碼入手，結合實戰去展示riscv rvv的使用。

https://github.com/bigmagic123/d1-nezha-baremeta/tree/main/src/2.vector_example

2.機器模式處理器狀態寄存器（MSTATUS）

機器模式狀態處理寄存器可以查看玄鐵C910的用戶手冊，開啟的V擴展的位是［23:24］位，如果不設置這兩位，那么使用V擴展指令的時候，會出現指令未定義的異常。

這里需要注意的是，RISCV的各家的VS標志并不是一定是這兩位，比如sifive會定義在

但是無論怎么說，都需要設置機器狀態控制器去開啟v擴展指令的支持。

/* Enable FPU and accelerator if present */

li t0， MSTATUS_FS | MSTATUS_XS | （0x01800000）

csrs mstatus， t0

在啟動代碼中，通過0x01800000設置mstatus開啟V擴展支持。

3.編譯選項支持V擴展

默認情況下，平頭哥提供的交叉編譯工具鏈已支持了V擴展的編譯。只需要在編譯選項中開啟即可。

從傳遞給riscv 的gcc的選項來看，帶有v擴展即可。

-march是指定了riscv的模塊化的指令集選項，可以通過選項指定目標RISC-V支持的模塊化的指令集的組合。比如下面幾種組合。

rv32i［m］［a］［f［d］］［c］

rv32g［c］

rv64i［m］［a］［f［d］］［c］

rv64g［c］

往往也會結合-mabi進行使用。-mabi決定了RISCV目標支持的ABI函數調用的規程。

4.RISCV向量計算的原理

在riscv的V擴展中，一共定義了32個寄存器，v0~v31，這32個寄存器，每個長度都是VLEN長度。在玄鐵C906定義長度為128位。

而在V擴展的操作中，需要擴展下面的寄存器組。

下面來具體分析一些每個寄存器的作用。

vstart

矢量起始位置寄存器指定了執行矢量指令時起始元素位置，每條矢量指令執行后 VSTART 會被清零。

該寄存器只有在處理器進入陷阱或者中斷狀態時，才會被硬件寫入。

所以的向量指令都會從vstart中給定的元素編號開始執行，支持完成后，自動變為0。

為什么會有這個寄存器，原因是在V擴展指令中，每個寄存器是可以分割與合并的，并不是單獨操作。

vxsat

這個是向量定點的飽和標志位，該位指示定點指令是否必須使輸出值飽和，以此適應目標格式。

vxrm

向量定點舍入模式寄存器，指定了定點指令采用的舍入模式。

vl

矢量長度寄存器指定了矢量指令更新目的寄存器的范圍，矢量指令更新目的寄存器中元素序號小于 VL 的元素，清零目的寄存器中元素序號大于等于 VL 的元素。特別的，當 VSTART》=VL 或 VL 為 0 時，目的寄存器的所有元素不 被更新。該寄存器是任意模式下的只讀寄存器，但是 vsetvli、vsetvl 以及 fault-only-first 指令能夠更新該寄存器的值。

該寄存器的值是通過vsetvli/vsetvl指令自動設置的。

vtype

VTYPE 寄存器指定了矢量寄存器組的數據類型以及矢量寄存器的元素組成。

通過C910的數據手冊，可看出

向量長度寄存器VLENB

該寄存器用于表示矢量寄存器的數據位寬，以實際位寬除以 8 得到的字節數體現。C906 矢量寄存器為 128 位，因此 VLENB 值固定為 16。該寄存器位長是 64 位，用戶模式只讀。

5.通過實例分析RISCV V擴展的運作機制

下面一個rvv實際的函數

void test_v（void）

{

float a［］={1.0，2.0，3.0，4.0};

float b［］={1.0，2.0，3.0，4.0};

float c［］={0.0，0.0，0.0，0.0};

int len=4;

int i=0;

//inline assembly for RVV 0.7.1

//for（i=0; i《len; i++）{c［i］=a［i］+b［i］;}

asm volatile（

“mv t4， %［LEN］

”

“mv t1， %［PA］

”

“mv t2， %［PB］

”

“mv t3， %［PC］

”

“LOOP1：

”

“vsetvli t0， t4， e32，m1

”

“sub t4， t4， t0

”

“slli t0， t0， 2

” //Multiply number done by 4 bytes

“vle.v v0， （t1）

”

“add t1， t1， t0

”

“vle.v v1， （t2）

”

“add t2， t2， t0

”

“vfadd.vv v2， v0， v1

”

“vse.v v2， （t3）

”

“add t3， t3， t0

”

“bnez t4， LOOP1

”

：

：［LEN］“r”（len）， ［PA］“r”（a），［PB］“r”（b），［PC］“r”（c）

：“cc”，“memory”， “t0”， “t1”， “t2”， “t3”， “t4”，

“v0”， “v1”， “v2”

）;

for（i=0; i《len; i++）{

printf（“

”）;

printf（“%f

”，c［i］）;

printf（“

”）;

}

}

這里采用的是內聯匯編，可以更加深入的分析RVV的運作機制和底層原理。

在riscv中，內聯匯編的寫法

asm volatile（“nop”）;

這樣編譯器在編譯后會生成可以執行的匯編代碼。

該函數的功能

for（i=0; i《len; i++）{c［i］=a［i］+b［i］;}

通過上述分析，通過向量計算，可以一次性計算出上面四次循環加法。

vsetvli t0， t4， e32，m1

vsetvli表示設置每個向量的長度，t4的值表示的是len，也就是4。

e32表示每個元素為32位，m1表示使用1倍數量的向量寄存器。

該條指令相當于把一個向量寄存器（128位）分成四等分，這是一條設置指令，設置vl寄存器。返回值為t0，這里由于是剛好裝下4條32位的數字，所以返回值為4。

sub t4， t4， t0

通過查看數組是否計算完成，來進行循環計算，這里t4為0了。

slli t0， t0， 2

往左移動兩位，也就是將t0乘以4。這里計算的目的是如果存在很長的數組，可以偏移t0個字節從而指向數組的下個地址。

vle.v v0， （t1）

填充向量寄存器（t1）為a數組，一條指令將數據放到向量寄存器v0中。

add t1， t1， t0

將a數組的起始元素加上16字節（4個元素）的偏移。

vle.v v1， （t2）

填充b數組的數組到向量寄存器v1中。

add t2， t2， t0

將數組b的元素的起始地址偏移16字節，也就是4個元素。

vfadd.vv v2， v0， v1

執行向量加法，將向量的結果保存到向量寄存器v2中。

vse.v v2， （t3）

將向量寄存器中值寫回到c數組中。

add t3， t3， t0

將數組c的元素指針偏移4個元素。

bnez t4， LOOP1

直到計算的len長度為0，此時跳出循環計算。

由于此時計算只有4字節，所以一次循環就計算完成了，不用多次計算。

采用向量寄存器的計算，可以把四次循環計算用一次計算就完成。當然這種如果大量計算時，才能體現出更大的優勢。

最后的結果如下：

通過對數組的計算

float a［］={1.0，2.0，3.0，4.0};

float b［］={1.0，2.0，3.0，4.0};

float c［］={0.0，0.0，0.0，0.0};

最后c數組的結果

float c［］={2.0，4.0，6.0，8.0};

其理論數據和實際數據一樣。

6.RVV使用體驗

剛接觸到riscv 的 V擴展編程時，很多概念都理解的很模糊，感覺十分的困難，通過一段時間梳理之后，發現和以前mips上接觸的mxu或者arm的neno使用上大多數是一樣的，就需要去設置使用寄存器的長度，當然這些底層函數如果進行一層封裝后，再給用戶使用，那才是比較方便的，但是本文只是介紹底層實現的原理，并不多介紹使用的細節。

RVV還有一個特性就是寄存器的擴充，比如D1采用的玄鐵C906的核，支持的是32個128位的向量寄存器，也可以將兩個或多個向量寄存器拼成一個來使用。這樣寄存器的長度更加長，能夠同時做到并行計算也就更多。這取決于如何做向量的優化設計。

原文標題：用哪吒D1開發板體驗riscv向量底層編程

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責任編輯：haq