硬件浮点

本文是更大的教程“OS历险记：使用Rust制作RISC-V操作系统”中的一篇文章。

到目前为止，我们只使用整数指令。但是，既然我们希望支持用户进程，就必须能够支持硬件浮点单元(FPU)。在RISC-V中，这相当简单，但如果我们不小心，可能会导致一些麻烦。

首先，必须通过mstatus寄存器(更具体地说是FS位(位14和13))控制浮点单元。

回想一下，我们使用此寄存器更改处理器模式(MPP)。但是，现在我们关心的是这个寄存器来控制浮点单元。这两位支持浮点单元的四种不同状态：

如果我们试图在FPU关闭时加载或存储(fld或fsd)浮点寄存器，它将陷入操作系统。因此，在我们使用浮点单元进行任何工作之前，我们需要确保已打开浮点单元并做好了开始工作的准备。我们可以在编写的switch_to_user函数中添加一点，以便在上下文切换到另一个进程时将FPU打开到初始状态。

.global switch_to_userswitch_to_user：csrw msccratch，a0 ld a1,520(A0)ld a2,512(A0)ld a3,552(A0)li t0，1<；<；7|1<；<；5|1<；<；13 slli a3，a3，11或t0，t0，a3 csrw mstatus，t0 csrw mepc，a1 csrw satp，a2 li t1，0xaaa csrw mie，t1 la t2，m_trap_Vector csrw mtvec，t2 mv t6，a0.set i，0.rept 32 load_fp%i.set i，i+1.endr.set i，1.rept。

我们要做的第一件事是添加1<；<；13，它将FS位设置为01，这是初始状态。与MPP(计算机上一级权限)不同，这会立即生效。然后，我们从TrapFrame结构恢复寄存器。方便的是，这遵循32个通用整数寄存器。您可以看到，我们的宏LOAD_FP被展开为以下内容：

.altacro.set NUM_GP_REGS，32#每个上下文的寄存器数。set REG_SIZE，8#寄存器大小(字节)。宏LOAD_FP i，basereg=T6 fld f\i，((NUM_GP_REGS+(\i))*REG_SIZE)(\basereg).endm

我们跳过\(8\乘以32=256\)字节以遍历所有32个GP寄存器。现在我们到了我们想要的收银台了。就像ld将内存位置加载到通用寄存器中一样，fld也会将内存位置加载到浮点寄存器中。记住：此时必须通过FS位打开FPU(\(\text{FS}\NEQ 0\))。

我们使用FS位不仅用来控制FPU，还用来查看发生了什么。RISC-V特权规范建议在陷阱期间对FPU执行以下操作：

浮点单元具有多个开/关状态的原因是，它只允许我们在寄存器发生更改时保存它们。如果用户进程从未使用过FPU，为什么要保存这些寄存器呢？但是，浮点单元的粒度是这样的，如果32个寄存器中只有1个发生更改，我们必须保存所有32个寄存器。

因此，我们需要添加代码来检查FPU的状态，以确定是否需要保存寄存器。我们可以通过读取FS位来实现这一点：

csrr t1，mstatus srli t0，t1，13和t0，t0，3 li t3，3 bne t0，t3，1f.set i，0.rept 32 save_fp%i，t5.set i，i+1.endr1：

上面，我们读取mstatus寄存器，将其右移13位，并用3(即二进制11)对其进行掩码。这意味着我们隔离了FS位(2位)，以便我们可以读取值。如果这两位不是11(回想一下，这意味着寄存器被写入)，那么我们跳过保存浮点寄存器，向前跳到数字标签1(因此是1f)。

#[repr(C)]#[派生(克隆，复制)]pub struct TrapFrame{pub regs：[usize；32]，//0-255 pub fregs：[usize；32]，//256-511 pub satp：usize，//512-519 pub PC：usize，//520 pub hartid：usize，//528 pub qm：usize，//536 pub pid：usize。

我们的fregs(浮点寄存器)遵循32个通用寄存器。因此，我们唯一需要做的数学运算是\(8\乘以32=256\)。

这真是太棒了！我们可以在内核中使用浮点单元，前提是我们在使用任何寄存器之前将其打开。同样，如果我们在FS位为00时尝试使用FPU，我们将得到一个陷阱。