ARM處理器NEON編程及優(yōu)化技巧——數(shù)據(jù)加載和存儲

SIMD的例子

首先看一個實例，24-bit的RGB圖像，像素在內存里的組織方式是R, G, B, R, G, B...，如果你想做一個簡單的圖像處理，比如把R和B通道互換，你該如何高效的使用NEON協(xié)處理器呢？首先從存儲空間線性加載RGB數(shù)據(jù)到D寄存器，然后交換R和B數(shù)據(jù)。 但是這種線性加載的數(shù)據(jù)進行R和B通道的數(shù)據(jù)交換非常麻煩，需要首先掩碼mask，然后移位并合并掩碼數(shù)據(jù)。這種復雜的運算顯然并不高效。

圖1. 線性加載RGB數(shù)據(jù)

NEON提供了各種結構的加載和存儲指令來處理這種情況，這些指令能把數(shù)據(jù)從存儲區(qū)加載的同時還能把這些值分開存儲到不同的寄存器中，如下圖2所示，你可以使用VLD3加載來把RGB數(shù)據(jù)分開存儲。

圖2. 使用結構化的加載指令加載RGB數(shù)據(jù)

然后使用VLD3分開加載的數(shù)據(jù)就能方便的使用指令(VSWP d0, d2)來進行R和B通道的交換了，然后把結果再寫入內存，當然也要使用interleave交織模式的存儲，即VST3存儲指令。

圖3. 交換寄存器d0和d2然后存儲

結構化加載和存儲語法和具體指令

NEON結構化加載會讀取內存內容到64-bit的NEON寄存器，使用可選的deinterleave選項，同樣加載指令也可以采用這種reinterleave的方式把寄存器的內容寫到內存空間。

圖4. NEON的結構化加載和存儲

下面介紹NEON存儲和加載的結構化方式，語法包括如下5個部分：

圖5. NEON的結構化加載和存儲語法

• 加載VLD或者存儲VST指令助記符：instruction mnemonic
• 一個表示interleave模式的數(shù)字，表示每個結構體元素間的間隔：interleave pattern
• 表示每次訪問單元的位寬比特數(shù)，即結構體內元素類型：element type
• 讀寫的64-bit的NEON寄存器集合，最多可以列出4個寄存器，取決于interleave模式：NEON registers
• 表示內存訪問地址的ARM寄存器，該地址可以在每次訪問時更新： ARMaddress register

交織模式：Interleave Pattern

加載和存儲指令可以用從1到4個相同大小的元素的交織結構體，這些元素可以是NEON指令通常支持的8，16或者32比特。

• VLD1是最簡單的形式，從內存加載1~4個寄存器的數(shù)據(jù)，沒有deinterleave，即線性加載；
• VLD2加載2或者4個寄存器的數(shù)據(jù)，解交織奇偶元素到各自的寄存器，這樣很容易的把交織的立體聲音頻數(shù)據(jù)分解為左右聲道的數(shù)據(jù)；
• VLD3加載3個寄存器的數(shù)據(jù)，很方便的把RGB的數(shù)據(jù)分為R、G、B通道；
• VLD4加載4個寄存器的數(shù)據(jù)，解交織，用于分解ARGB圖像數(shù)據(jù)；

存儲和加載類似，只是把寄存器的數(shù)據(jù)interleave然后寫到內存。

元素類型Element Types

加載和存儲interleave的數(shù)據(jù)的基本元素可以為8，16或者32比特的數(shù)據(jù)。比如NEON指令VLD2.16將加載4個16-bit元素到第一個寄存器，然后4個16-bit元素到第二個寄存器，把臨近的奇偶對分開保存到每個寄存器。

圖6. 加載并解交織16-bit的數(shù)據(jù)

把元素大小變成32-bits還是加載相同大小的數(shù)據(jù)，但是只有2個元素來構成一個向量，同樣分成奇偶元素部分。

圖6. 加載并解交織32-bit的數(shù)據(jù)

元素大小還會影響大小端的處理。如果你指定了正確的加載和存儲指令的元素大小，從存儲空間讀取和存儲的字節(jié)都會按照正確的次序排列，因而相同的代碼會在大端和小端系統(tǒng)里適用。最后元素大小還會影響指針的數(shù)據(jù)對齊，把數(shù)據(jù)對齊到元素大小的邊界能帶來更好的性能，當然這也是一般的操作系統(tǒng)OS要求的。如，加載32位元素數(shù)據(jù)，通常要把第一個元素的地址對齊到32位邊界。

單個或者多個元素 Single or Multiple Elements

除了加載多個元素，結構讀取還能從內存用deinterleave的模式讀取一個元素到NEON寄存器的多個通道或者一個通道而保存其他通道不變。

圖7. 加載并解交織到所有的通道

加載到單一通道對于從分散的內存空間的數(shù)據(jù)讀取來構建一個向量非常有用。存儲數(shù)據(jù)到內存也是一樣，也可以采用通道的模式進行存儲。

圖7. 加載并解交織到單一的通道

尋址模式Addressing

NEON的加載和存儲指令支持3種格式的尋址模式：

• 寄存器 [ {,:}]：數(shù)據(jù)將會從指定寄存器的地址加載或者存儲；
• 帶自動加減地址更新的寄存器[{,:}]!：在數(shù)據(jù)從指定寄存器的地址加載或者存儲后會更新地址，更新的地址大小等于讀取或者存儲的數(shù)據(jù)元素大??；
• 帶后索引的寄存器[{,:}],：存儲空間訪問后，會根據(jù)制定的寄存器Rm來更新地址，當需要讀取或者存儲一組具有固定間隔的數(shù)據(jù)時非常有用。

其他的加載和存儲

NEON還支持以下的數(shù)據(jù)加載和存儲：

• VLDR和VSTR來加載和存儲64-bit數(shù)值到一個單一的寄存器；
• VLDM和VSTM來從堆棧加載或者存儲多個64-bit數(shù)值；

更多的關于支持的加載和存儲運算可以參考ARM的參考手冊arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0406b/index.html" rel="nofollow">ARM Architecture Reference Manual. 詳細的指令周期信息可以參考每個單獨的指令Technical Reference Manual for each core.