RISC-V基础之浮点指令（包含实例）

RISC-V体系结构定义了可选的浮点扩展，分别称为RVF、RVD和RVQ，用于操作单精度、双精度和四倍精度的浮点数。RVF/D/Q定义了32个浮点寄存器，f0到f31，它们的宽度分别为32位、64位或128位。当一个处理器实现了多个浮点扩展时，它使用浮点寄存器的低位部分来执行低精度的指令。f0到f31与程序（也称为整数）寄存器x0到x31是分开的。与程序寄存器一样，浮点寄存器也按照约定用于某些特定的目的

 

RISC-V的浮点指令分为以下几类：
- 浮点加载和存储指令：用来在内存和浮点寄存器之间传输浮点数。例如，FLW指令从内存加载一个单精度浮点数到浮点寄存器，FSW指令将一个单精度浮点数从浮点寄存器存储到内存。
- 浮点计算指令：用来在浮点寄存器之间进行浮点数的加、减、乘、除、平方根等运算。例如，FADD.S指令将两个单精度浮点数相加，FDIV.D指令将两个双精度浮点数相除。
- 浮点转换指令：用来在不同的浮点数格式或整数格式之间转换浮点数。例如，FCVT.S.D指令将一个双精度浮点数转换为一个单精度浮点数，FCVT.W.S指令将一个单精度浮点数转换为一个32位整数。
- 浮点比较指令：用来在浮点寄存器之间进行浮点数的相等、小于、小于等于等比较，并将布尔结果记录在整数寄存器中。例如，FEQ.S指令判断两个单精度浮点数是否相等，FLT.D指令判断两个双精度浮点数是否小于。
- 浮点移动指令：用来在整数寄存器和浮点寄存器之间传输数据，不改变数据的位模式。例如，FMV.X.W指令将一个单精度浮点数从浮点寄存器移动到整数寄存器，FMV.W.X指令将一个32位整数从整数寄存器移动到浮点寄存器。
- 浮点类别化指令：用来判断一个浮点数是否属于某个特定的类别，如正无穷、负无穷、非数字（NaN）等，并将布尔结果记录在整数寄存器中。例如，FCLASS.S指令将一个单精度浮点数的类别编码为一个12位的位向量，并放入整数寄存器。

```riscv
# RISC-V floating-point program to calculate pi
# using the Gregory-Leibniz series
# pi/4 = 1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + ...
# f0: the result (pi)
# f1: the current term
# f2: the denominator
# f3: the sign (-1 or 1)
# f4: the constant 4.0
# f5: the constant 1.0
# f6: the constant -1.0
# t0: the loop counter

.data
    n: .word 1000000 # number of terms to compute

.text
    # initialize registers
    flw f4, =4.0 # f4 = 4.0
    flw f5, =1.0 # f5 = 1.0
    flw f6, =-1.0 # f6 = -1.0
    fmv.s f0, f5 # f0 = 1.0 (result)
    fmv.s f1, f5 # f1 = 1.0 (term)
    fmv.s f2, f5 # f2 = 1.0 (denominator)
    fmv.s f3, f5 # f3 = 1.0 (sign)
    lw t0, n # t0 = n (loop counter)

loop:
    # update the result
    fsub.s f0, f0, f1 # f0 = f0 - f1

    # update the term
    fadd.s f2, f2, f4 # f2 = f2 + 4.0
    fdiv.s f1, f3, f2 # f1 = f3 / f2

    # update the sign
    fneg.s f3, f3 # f3 = -f3

    # update the loop counter
    addi t0, t0, -1 # t0 = t0 - 1

    # check the loop condition
    bnez t0, loop # if t0 != 0, go to loop

    # multiply the result by 4
    fmul.s f0, f0, f4 # f0 = f0 * 4.0

    # return the result in a0
    fcvt.w.s a0, f0 # a0 = (int)f0

这个程序示例是用RISC-V的单精度和双精度浮点指令来计算圆周率近似值的。它使用了Gregory-Leibniz级数，这一般项是(-1)^n / (2n+1)，它的和等于pi/4。也就是说，pi/4 = 1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + …。这个程序使用了递归函数来计算这个级数的前n项的和，其中n是一个全局变量，可以在程序中修改。

 

它的功能是将数组中的每个元素加上10，并将结果存回数组中。它的主要步骤如下：

• 首先，代码在s0寄存器中存放了数组scores的基地址，这个数组有200个元素，每个元素占4个字节。代码还在s1寄存器中初始化了一个循环计数器i为0，在t2寄存器中存放了一个循环终止条件200，在t3寄存器中存放了一个常数10，在ft0浮点寄存器中存放了一个单精度浮点数10.0。
• 然后，代码进入一个for循环，每次循环都对数组中的一个元素进行操作。循环的条件是i < 200，如果不满足就跳转到done标签处结束程序。
• 在循环体中，代码首先计算数组中第i个元素的地址，方法是将i左移2位（相当于乘以4），然后加上s0（基地址）。这个地址被保存在t3寄存器中。
• 然后，代码使用flw指令从t3寄存器指向的内存地址加载一个单精度浮点数到ft1浮点寄存器中，这个浮点数就是scores[i]。
• 接着，代码使用fadd.s指令将ft1和ft0两个浮点寄存器中的值相加，并将结果保存在ft1中。这相当于执行了scores[i] = scores[i] + 10.0。
• 然后，代码使用fsw指令将ft1寄存器中的值存储到t3寄存器指向的内存地址中，这相当于将修改后的scores[i]写回数组中。
• 最后，代码使用addi指令将s1寄存器（循环计数器i）加上1，并跳转到for标签处继续下一次循环。