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RVV 1.0 向量扩展规格

1. 固定硬件参数

  • RVV-REQ-001：实现 32 个向量寄存器 v0..v31。
  • RVV-REQ-002：VLEN=256 位，VLENB=32 字节，vlenb CSR 恒定只读为 32。
  • RVV-REQ-003：支持 SEW 8、16、32、64。
  • RVV-REQ-004：支持规范编码的 LMUL，包括 PRD 要求的 1、2、4、8；分数 LMUL 是否启用必须依据 RVV 1.0 与 Linux 工具链需求冻结，不能误译为保留编码。
  • RVV-REQ-005：所有向量元素按小端来宾内存模型与寄存器位布局解释。

1.1 首版 vtype 能力冻结

固定 ELEN=64、最小 SEW=8 的 RVV 1.0 实现必须支持整数 LMUL m1=0b000、 m2=0b001、m4=0b010、m8=0b011，以及分数 LMUL mf8=0b101、mf4=0b110、 mf2=0b111。支持的 SEW 编码为 e8/e16/e32/e64 对应 vsew=0b000..0b011，但 分数 LMUL 的合法 SEW 受 SEW ≤ LMUL × ELEN 约束：mf8 仅支持 e8，mf4 支持 e8/e16，mf2 支持 e8/e16/e32；整数 LMUL 支持全部四种 SEW。

全部保留 vlmul/vsew 编码、超出上述分数 LMUL 宽度上限的组合以及任何非零保留高位都 不是可被静默降级的配置：vsetvli、vsetivli 或 vsetvl 请求此类完整 vtype 值时， 必须写入 vtype.vill=1、将其余可见 vtype 位清零，并将 vl=0。后续依赖 vtype 的向量指令遇到当前 vill=1 必须触发非法指令异常。

合法 vtype 的低位布局冻结为 vlmul[2:0]、vsew[5:3]、vta[6]、vma[7]；除 XLEN-1 的 vill 外，任何置位的保留高位都会使 vtype 非法。这样可避免不同模块 各自解释保留位或分数 LMUL，保持 VLMAX 计算的单一事实来源。

2. 向量 CSR

  • vl：当前有效元素数，任何合法设置都不得大于当前 VLMAX。
  • vtype：包含 vill、vma、vta、vsew 和 vlmul。
  • vstart：可重启异常的下一元素索引，成功完成指令后按规范清零。
  • vxrm/vxsat/vcsr：定点舍入和饱和状态。
  • vlenb：只读硬件常量。

mstatus.VS/sstatus.VS 为 Off 时执行向量指令必须产生非法指令；修改向量架构状态必须标记 VS Dirty。

向量 CSR 地址冻结为：vstart=0x008、vxsat=0x009、vxrm=0x00A、vcsr=0x00F、 vl=0xC20、vtype=0xC21、vlenb=0xC22。vstart/vxsat/vxrm/vcsr 是来宾可写的 向量状态；vl/vtype/vlenb 是来宾只读 CSR，其中只有后续 vset* 的唯一内部配置入口 能够更新 vl/vtype。当 VS=Off 时，访问这些 CSR 或执行任何向量指令均必须产生 非法指令；vlenb 虽为只读常量，也不得绕过该上下文门控。写入可写 CSR 或由 vset* 提交合法配置的状态变化必须把 VS 标记为 Dirty。

misa.V 只能在项目声明范围内的 RVV 指令、CSR、访存、异常重启和一致性验证均完成后 置位。前置模块可以建立真实向量状态，但不得因部分实现向来宾虚假宣称完整 V 扩展。

为保证单 Hart 复位可重复，向量 CSR 的冻结复位值为：vl=0、vtype.vill=1 且其余 vtype 位为零、vstart=0、vxrm=0、vxsat=0。该默认非法配置要求软件先执行后续 vset* 建立合法 SEW/LMUL；它不是对任何具体实现的未声明复位值假设。

3. vset* 语义

  • RVV-REQ-006：实现 vsetvli、vsetivli、vsetvl。
  • 根据 AVL、SEW、LMUL 和 VLEN 计算 VLMAX 与新 vl。
  • 非法或不支持的 vtype 设置 vill 并按规范设置 vl。
  • 必须实现 rd=x0、rs1=x0 等特殊 AVL 组合，不能一律按普通寄存器值处理。

3.1 编码、提交与确定性策略

三种配置指令均使用 OP-V=0x57 与 funct3=0b111：vsetvli 要求 bit31 为零并从 bit30:20 取得 11 位 vtypei；vsetivli 要求 bit31:30 为二进制 11，从 bit29:20 取得 10 位 vtypei，并将 rs1 字段作为零扩展的 5 位 AVL；vsetvl 要求 funct7=0b1000000，从 rs2 取得完整 XLEN 宽 vtype。不符合这些判别字段的 OP-V 编码在本阶段必须是非法指令，不能被当作某种配置近似执行。

合法配置的 VLMAX=(VLEN/SEW)×LMUL。当 rs1!=x0 时 AVL 来自 x[rs1]；对于 vsetvli/vsetvl，rs1=x0, rd!=x0 表示 AVL 为全一 XLEN 值，vsetivli 则始终以其 5 位立即数作为 AVL。项目冻结确定性选择 vl=min(AVL,VLMAX)：它精确满足 AVL≤VLMAX，且在 AVL>VLMAX 的规范允许范围选择 VLMAX。成功的 vset* 必须 写回 rd、提交 vl/vtype、标记 VS Dirty 并把 vstart 清零。

rs1=x0, rd=x0 的保持 vl 形式仅在旧、新 vtype 都合法且 VLMAX 相同的情况下 允许；它保留现有 vl。其他这种保留形式必须触发非法指令，避免容量变化时让旧 vl 越过新 VLMAX。请求非法完整 vtype 本身不是非法指令：vset* 必须提交仅置 vill 的 vtype、vl=0 和 rd=0，供来宾软件探测实现能力。

4. 寄存器分组与重叠

  • LMUL>1 时目标寄存器号必须满足分组对齐且不得超出 v31。
  • 宽化、窄化和掩码指令必须遵守源/目标寄存器重叠限制。
  • 非法分组或保留组合触发非法指令，不能截断到可用寄存器。
  • v0 作为掩码源时按单比特元素布局读取；掩码禁用时所有活动元素视为启用。

4.1 统一元素映射与基础状态接口

寄存器组、元素访问和掩码位必须通过唯一布局层解释，不允许各指令按自身理解计算字节偏移。 元素以小端打包：元素最低有效字节位于最低编号寄存器的最低可用字节；整数 LMUL 跨组时， 填满较低编号寄存器后连续进入下一寄存器。整数 LMUL 的基寄存器必须按组大小对齐，且整个 组不得越过 v31。分数 LMUL 只使用基寄存器的低 LMUL×VLEN 位，剩余空间为 tail， 不属于可读写的逻辑元素范围。

掩码始终从 v0 读取，bit 0 是元素 0，随后按低位到高位、低字节到高字节连续编号；它 不随 SEW 或 LMUL 改变。布局层只验证并定位元素，CPU 状态层是唯一可提交元素写入并标记 VS Dirty 的入口。

固定 VLEN=256 时，最大 VLMAX=256，因此 vstart 只保留低 8 个可写位。向量执行器 在可重启异常处写入故障元素索引；所有成功完成的向量指令均清零 vstart，非法指令不得 改变它。vxrm 由 CSR 唯一读取，vxsat 是黏滞标志：运算只能累积置一，来宾软件通过 CSR 写零才能清除。

5. Tail 与 Mask 策略

vta/vma 控制尾部和被掩码元素的 agnostic/undisturbed 行为。实现必须：

  • 不错误修改 undisturbed 元素。
  • 对 agnostic 元素采用规范允许且全项目一致的值策略。
  • 区分 prestart、active、inactive 和 tail 元素。
  • 保证从 vstart 重启时早于 vstart 的元素不被再次修改。

6. 向量访存

  • RVV-REQ-007：支持 unit-stride 向量加载和存储。
  • RVV-REQ-008：支持 strided 向量加载和存储，步长按 XLEN 有符号值解释。
  • 支持对齐和非对齐元素访问，但每个字节必须经过统一 MMU/总线语义。
  • 每个活动元素独立进行地址计算、翻译和权限检查。
  • 地址计算按 XLEN 回绕规则，宿主计算不得溢出为未定义行为。
  • 发生元素异常时，精确设置 vstart，先前已提交元素保持，后续元素不执行。
  • 首版是否支持 fault-only-first、indexed 或 segment 访存必须在 ISA 清单中明确；未实现编码必须非法，而不是静默近似。

6.1 首版访存编码与精确提交

首版只接受普通非分段 vle8/16/32/64.v、vse8/16/32/64.v、 vlse8/16/32/64.v 与 vsse8/16/32/64.v：nf=0、mew=0，unit-stride 的 lumop/sumop=0，以及 mop=00 或 mop=10。indexed、segment、whole-register、 mask load/store 和 fault-only-first 的编码必须非法，不能退化为普通访问。EEW 使用指令 编码的 8/16/32/64 位值，数据寄存器组必须按 EMUL=(EEW/SEW)×LMUL 独立验证。

为保证非对齐和跨页访问不绕过地址翻译，每个活动元素的每个字节都必须经 CPU 的统一 guest_read/guest_write、MMU 和总线入口。load 仅在组成完整元素后写入目标组；当任何 字节发生异常时，已经完成的较早元素保持，当前元素写入 vstart，当前及后续元素不再 执行。掩码关闭元素绝不访问内存或产生异常；首版对 agnostic 目的元素统一写全一， undisturbed 元素保持旧值。成功完成后清零 vstart。

7. 整数与掩码运算

声明范围至少覆盖 PRD 要求的向量整数加、减、乘、除和掩码控制。必须正确处理：

  • vv/vx/vi 操作数形式和标量扩展。
  • SEW 宽度截断、有符号/无符号比较和除法特殊值。
  • 掩码逻辑、产生掩码的比较及 carry/borrow 类操作中 v0 的特殊角色。
  • 除零、最小负数除以 -1 等与标量对应宽度一致的定义结果。

首版实现 vadd/vsub/vmul/vdiv[u]/vrem[u] 的 vv/vx 形式，以及 vadd.vi。所有结果按 SEW 截断；除零和 signed 最小值除以 -1 与标量 M 扩展一致。masked-off 元素不执行， 依 vma 保持或写全一；tail 依 vta 保持或写全一；成功后清零 vstart。

8. 向量浮点

  • 支持 PRD 要求的向量浮点加、减、乘、除，覆盖 SEW=32/64。
  • 使用标量 frm/fflags，逐元素异常标志最终按 OR 累积。
  • 掩码关闭、尾部和 prestart 元素不得产生浮点异常。
  • NaN、无穷、零符号和舍入行为必须符合对应 F/D 语义。

8.1 首版浮点编码与状态提交

首版实现 vfadd/vfsub/vfmul/vfdiv 的 vv 与 vf 形式，仅接受 SEW=32 或 SEW=64。 vf 从标量浮点寄存器读取同宽原始位模式；向量单精度元素不是 NaN-box 载体，因此不套用 标量 F 寄存器的解箱规则。指令要求 VS 与 FS 均非 Off，并统一使用动态 frm；保留 frm 值触发非法指令且不写目的寄存器。每个活动元素调用既有软件浮点核心，其异常位 OR 入 fflags；masked-off、tail 与 prestart 元素绝不参与浮点计算或制造异常。vma/vta 为 agnostic 时，目的元素写为对应 SEW 的全一位模式；整条指令成功退休后才清零 vstart。

9. 译码完整性

向量 opcode 下不能仅靠 funct 子集宽松匹配。译码必须同时校验 funct6/funct3/vm、操作数类别、SEW、LMUL、扩展状态及保留位。任何未定义组合都触发非法指令。

10. 验收条件

  • vlenb 恒为 32，所有合法 vtype 的 VLMAX 计算正确。
  • 覆盖 vl=0、vl=VLMAX、不同 SEW/LMUL、mask/tail 策略。
  • 覆盖跨寄存器组边界、非法重叠和非法分组。
  • 覆盖向量访存跨页、非对齐、元素中途页错误及 vstart 重启。
  • 使用适用 RVV 1.0 一致性测试，并记录尚未声明支持的合法指令范围。