RV32FD指令集

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。

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。

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。

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：

Category		Fmt	RV32F	machine code(bin)	comment
float read/write instruction			flw rd offset[11:0](RS1)	[31-20, imm[11:0]][19-15,rs1]010[11-7, rd]‘0000111	rd=mem[rs1+offset], offset是一个12位符号数，所以加法操作时候，需要符号位扩展。flw指令从存储器中读回一个单精度浮点数，写回寄存器rd。
			fsw rd2 offset[11:0](RS1)	[31-25, imm[11:5]][24-20,rs2][19-15,rs1]010[11-7, imm[4:0]]‘0100111	mem[rs1+offset]=rd2, offset是一个12位符号数，所以加法操作时候，需要符号位扩展。Fsw指令将操作数寄存器rs2中的单精度浮点数写回存储器中。
			fld rd offset[11:0](RS1)	[31-20, imm[11:0]][19-15,rs1]011[11-7, rd]‘0000111	rd=mem[rs1+offset], offset是一个12位符号数，所以加法操作时候，需要符号位扩展。flw指令从存储器中读回一个双精度浮点数，写回寄存器rd。
			fsd rd2 offset[11:0](RS1)	[31-25, imm[11:5]][24-20,rs2][19-15,rs1]011[11-7, imm[4:0]]‘0100111	mem[rs1+offset]=rd2, offset是一个12位符号数，所以加法操作时候，需要符号位扩展。Fsw指令将操作数寄存器rs2中的双精度浮点数写回存储器中。
float compute instruciton			fadd.s rd, rs1, rs2	0000000[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的单精度浮点数进行加法操作，结果返回rd
			fsub.s rd, rs1, rs2	0000100[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的单精度浮点数进行减法操作，结果返回rd
			fmul.s rd, rs1, rs2	0001000[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的单精度浮点数进行乘法操作，结果返回rd
			fdiv.s rd, rs1, rs2	0001100[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的单精度浮点数进行除法操作，结果返回rd
			fsqrt.s rd, rs1	010110000000[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的单精度浮点数进行平方根操作，结果返回rd
			fadd.d rd, rs1, rs2	0000001[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的双精度浮点数进行加法操作，结果返回rd
			fsub.d rd, rs1, rs2	0000101[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的双精度浮点数进行加法操作，结果返回rd
			fmul.d rd, rs1, rs2	0001001[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的双精度浮点数进行加法操作，结果返回rd
			fdiv.d rd, rs1, rs2	0001101[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的双精度浮点数进行加法操作，结果返回rd
			fsqrt.d rd, rs1	010110100000[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的双精度浮点数进行平方根操作，结果返回rd
min/max			fmin.s rd, rs1, rs2	0010100[24-20,rs2][19-15,rs1]000[11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的单精度浮点数进行比较操作，将数字小的一方写回rd
			fmax.s rd, rs1, rs2	0010100[24-20,rs2][19-15,rs1]001[11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的单精度浮点数进行比较操作，将数字大的一方写回rd
			fmin.d rd, rs1, rs2	0010101[24-20,rs2][19-15,rs1]000[11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的双精度浮点数进行比较操作，将数字小的一方写回rd
			fmax.d rd, rs1, rs2	0010101[24-20,rs2][19-15,rs1]001[11-7,rd]‘1010011	将操作数寄存器rs1和rs2中的双精度浮点数进行比较操作，将数字大的一方写回rd
乘加指令			fmadd.s rd, rs1, rs2, rs3	[31-27, rs3]00[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1000011	将操作数寄存器rs1，rs2和rs3中的单精度浮点数进行rd=rs1*rs2+r3操作
			fmsub.s rd, rs1, rs2, rs3	[31-27, rs3]00[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1000111	将操作数寄存器rs1，rs2和rs3中的单精度浮点数进行rd=rs1*rs2-r3操作
			fnmadd.s rd, rs1, rs2, rs3	[31-27, rs3]00[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1001011	将操作数寄存器rs1，rs2和rs3中的单精度浮点数进行rd=-rs1*rs2-r3操作
			fnmsub.s rd, rs1, rs2, rs3	[31-27, rs3]00[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1001111	将操作数寄存器rs1，rs2和rs3中的单精度浮点数进行rd=-rs1*rs2+r3操作
			fmadd.d rd, rs1, rs2, rs3	[31-27, rs3]01[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1000011	将操作数寄存器rs1，rs2和rs3中的双精度浮点数进行rd=rs1*rs2+r3操作
			fmsub.d rd, rs1, rs2, rs3	[31-27, rs3]01[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1000111	将操作数寄存器rs1，rs2和rs3中的双精度浮点数进行rd=rs1*rs2-r3操作
			fnmadd.d rd, rs1, rs2, rs3	[31-27, rs3]01[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1001011	将操作数寄存器rs1，rs2和rs3中的双精度浮点数进行rd=-rs1*rs2-r3操作
			fnmsub.d rd, rs1, rs2, rs3	[31-27, rs3]01[24-20,rs2][19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1001111	将操作数寄存器rs1，rs2和rs3中的双精度浮点数进行rd=-rs1*rs2+r3操作
浮点数格式转化指令			fcvt.w.s rd, rs1	110000000000[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将通用浮点寄存器rs1中的单精度浮点数转化成有符号整数，写入rd
			fcvt.s.w rd, rs1	110100000000[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将通用整数寄存器rs1中的有符号整数转化成单精度浮点数，写入rd
			fcvt.uw.s rd, rs1	110000000001[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将通用浮点寄存器rs1中的单精度浮点数转化成无符号整数，写入rd
			fcvt.s.uw rd, rs1	110100000001[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将通用整数寄存器rs1中的无符号整数转化成单精度浮点数，写入rd
			fcvt.w.d rd, rs1	110000100000[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将通用浮点寄存器rs1中的双精度浮点数转化成有符号整数，写入rd
			fcvt.d.w rd, rs1	110100100000[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将通用整数寄存器rs1中的有符号整数转化成双精度浮点数，写入rd
			fcvt.uw.d rd, rs1	110000100001[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将通用浮点寄存器rs1中的双精度浮点数转化成无符号整数，写入rd
			fcvt.d.uw rd, rs1	110100100001[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将通用整数寄存器rs1中的无符号整数转化成双精度浮点数，写入rd
			fct.s.d rd, rs1	010000000001[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将通用浮点寄存器rs1中的双精度浮点数转化成单精度浮点数，写入rd
			fct.d.s rd, rs1	010000100001[19-15,rs1][14-12,rm][11-7,rd]‘1010011	将通用浮点寄存器rs1中的单精度浮点数转化成双精度浮点数，写入rd
浮点数符号注入指令			fsgnj.s rd, rs1, rs2	0010000[24-20,rs2][19-15,rs1]000[11-7,rd]‘1010011	操作数均为单精度浮点数，结果的符号位来自rs2，其它位来自rs1，结果写回rd
			fsgnjn.s rd, rs1, rs2	0010000[24-20,rs2][19-15,rs1]001[11-7,rd]‘1010011	操作数均为单精度浮点数，结果的符号位来自rs2符号取反，其它位来自rs1，结果写回rd
			fsgnjx.s rd, rs1, rs2	0010000[24-20,rs2][19-15,rs1]010[11-7,rd]‘1010011	操作数均为单精度浮点数，结果的符号位来自rs2符号与rs1符号xor操作，其它位来自rs1，结果写回rd
			fsgnj.d rd, rs1, rs2	0010001[24-20,rs2][19-15,rs1]000[11-7,rd]‘1010011	操作数均为双精度浮点数，结果的符号位来自rs2，其它位来自rs1，结果写回rd
			fsgnjn.d rd, rs1, rs2	0010001[24-20,rs2][19-15,rs1]001[11-7,rd]‘1010011	操作数均为双精度浮点数，结果的符号位来自rs2符号取反，其它位来自rs1，结果写回rd
			fsgnjx.d rd, rs1, rs2	0010001[24-20,rs2][19-15,rs1]010[11-7,rd]‘1010011	操作数均为双精度浮点数，结果的符号位来自rs2符号与rs1符号xor操作，其它位来自rs1，结果写回rd
浮点与整数互搬指令			fmv.x.w rd, rs1	111000000000[19-15,rs1]000[11-7,rd]‘1010011	将通用浮点寄存器中的rs1读出，写回通用整数寄存器rd中。
			fmv.w.x rd, rs1	111100000000[19-15,rs1]000[11-7,rd]‘1010011	将通用整数寄存器中的rs1读出，写回通用浮点寄存器rd中。
浮点数比较指令			flt.s rd, rs1, rs2	1010000[24-20,rs2][19-15,rs1]001[11-7,rd]‘1010011	如果通用浮点寄存器rs1中的单精度值小于rs2中的值，则结果为1，否则为0，结果写回整数寄存器rd
			fle.s rd, rs1, rs2	1010000[24-20,rs2][19-15,rs1]000[11-7,rd]‘1010011	如果通用浮点寄存器rs1中的单精度值小于等于rs2中的值，则结果为1，否则为0，结果写回整数寄存器rd
			feq.s rd, rs1, rs2	1010000[24-20,rs2][19-15,rs1]010[11-7,rd]‘1010011	如果通用浮点寄存器rs1中的单精度值等于rs2中的值，则结果为1，否则为0，结果写回整数寄存器rd
			flt.d rd, rs1, rs2	1010001[24-20,rs2][19-15,rs1]001[11-7,rd]‘1010011	如果通用浮点寄存器rs1中的双精度值小于rs2中的值，则结果为1，否则为0，结果写回整数寄存器rd
			fle.d rd, rs1, rs2	1010001[24-20,rs2][19-15,rs1]000[11-7,rd]‘1010011	如果通用浮点寄存器rs1中的双精度值小于等于rs2中的值，则结果为1，否则为0，结果写回整数寄存器rd
			feq.d rd, rs1, rs2	1010001[24-20,rs2][19-15,rs1]001[11-7,rd]‘1010011	如果通用浮点寄存器rs1中的双精度值等于rs2中的值，则结果为1，否则为0，结果写回整数寄存器rd
浮点数分类指令			fclass.s rd, rs1	111000000000[19-15,rs1]010[11-7,rd]‘1010011	对通用浮点寄存器rs1中的单精度浮点数进行判断，根据其所属的类型，生成一个10位的独热码(one-hot)结果，结果的每一位对应一种类型。
			fclass.d rd, rs1	111000100000[19-15,rs1]010[11-7,rd]‘1010011	对通用浮点寄存器rs1中的双精度浮点数进行判断，根据其所属的类型，生成一个10位的独热码(one-hot)结果，结果的每一位对应一种类型。

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：

浮点分类指令的分类结果(10位的独热码）: