NEON指令優(yōu)化課件

NEON指令優(yōu)化線性加載RGB數(shù)據(jù)首先看一個實例，24-bit的RGB圖像，像素在內(nèi)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。結(jié)構(gòu)化的加載指令加載RGB數(shù)據(jù)NEON提供了各種結(jié)構(gòu)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。交換指令VSWP使用VLD3分開加載的數(shù)據(jù)就能方便的使用指令(VSWPd0,d2)來進行R和B通道的交換了，然后把結(jié)果再寫入內(nèi)存，當然也要使用interleave交織模式的存儲，即VST3存儲指令。結(jié)構(gòu)化加載和存儲語法和具體指令NEON結(jié)構(gòu)化加載會讀取內(nèi)存內(nèi)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(nèi)容寫到內(nèi)存空間。結(jié)構(gòu)化加載和存儲語法和具體指令加載VLD或者存儲VST指令助記符：instructionmnemonic

一個表示interleave模式的數(shù)字，表示每個結(jié)構(gòu)體元素間的間隔：interleavepattern

表示每次訪問單元的位寬比特數(shù)，即結(jié)構(gòu)體內(nèi)元素類型：elementtype

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：NEONregisters

表示內(nèi)存訪問地址的ARM寄存器，該地址可以在每次訪問時更新：ARMaddressregister

結(jié)構(gòu)化加載和存儲語法和具體指令交織模式：InterleavePattern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(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)存。結(jié)構(gòu)化加載和存儲語法和具體指令元素類型ElementTypes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。結(jié)構(gòu)化加載和存儲語法和具體指令把元素大小變成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(gòu)成一個向量，同樣分成奇偶元素部分。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SingleorMultipleElements除了加載多個元素，結(jié)構(gòu)讀取還能從內(nèi)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。單個或者多個元素SingleorMultipleElements加載到單一通道對于從分散的內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)讀取來構(gòu)建一個向量非常有用。存儲數(shù)據(jù)到內(nèi)存也是一樣，也可以采用通道的模式進行存儲。尋址模式AddressingNEON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；移位向量NEON中的移位指令和ARM指令中的標量移位，把向量中的各個元素左移或者右移若干比特。那些移到臨近元素的比特會被丟棄掉，不會影響到鄰近元素的移位結(jié)果。移位操作的移位數(shù)可以直接編碼到指令里，或者用一個指定的移位比特向量，如果使用移位向量，每一個元素的移位比特值將取決于對應的移位向量里存儲的值，移位向量里保存的移位值是有符號的，所以可能進行左移，右移或者不移位的操作。有符號數(shù)據(jù)的右移操作的類型可以根據(jù)指令來制定，如是否進行符號擴展（算術(shù)右移還是邏輯右移），這對應于ARM指令里的移位操作。對于無符號的右移而言，就不用進行符號擴展了。

移位并右側(cè)插入NEON還支持帶插入的移位，即進行兩個向量的比特位域的組合。比如VLSI指令左移并插入，會把向量進行左移，然后用目標向量的右側(cè)數(shù)據(jù)來填充。如下圖所示：移位移位并累加NEON支持把向量的各個元素右移然后累加結(jié)果到另外一個向量。這對于那些中間結(jié)果需要更高精度的情況非常適用，然后才把結(jié)果保存到一個低精度的累加器里。指令修改符每個移位指令都能包含一個或者多個修改符，這些修改符不會改變移位操作本身，但是輸入和輸出結(jié)果會去除基準或者飽和到一個有效范圍，有5種移位限定符：舍入（round），使用R前綴，用于糾正右移截斷導致的基準；變窄（narrow），使用N前綴，表示向量中所有元素的位寬變窄為一半，即源是128-bit的Q寄存器，而結(jié)果是64-bit的D寄存器；變長（long），使用L前綴，表示向量中所有元素的位寬變寬為兩倍，即源是64-bit的D寄存器，而結(jié)果是128-bit的Q寄存器；飽和（saturate），使用Q前綴，把結(jié)果元素變成其能表示的最大和最小值范圍內(nèi)，位寬比特數(shù)和符號類型來表明該元素的有效范圍；無符號的飽和（UnsignedSaturating），使用Q前綴，U后綴，類似于飽和限定符，但結(jié)果會飽和到無符號數(shù)據(jù)范圍，不管輸入是有符號還是無符號的；這些限定符的有些組合起來不能描述有用的操作，因而NEON并不包含這些指令。比如類似VQSHR的飽和右移并不需要，因為右移會讓數(shù)據(jù)變小，不會超過有效范圍。有效的移位操作色深轉(zhuǎn)換的例子色深轉(zhuǎn)換是圖像處理中經(jīng)常用到的。通常輸入數(shù)據(jù)是RGB56516-bit色度格式，需要轉(zhuǎn)換成RGB888格式才更適合于NEON這種并行處理。然而NEON還是能處理RGB565的數(shù)據(jù)的，這就需要用到前面提到的移位指令了。從RGB565到RGB888首先看如何從RGB565轉(zhuǎn)換成RGB888，假設(shè)輸入的8個16-bit的像素保存到寄存器Q0，我們想把分量分離成R通道，G通道和B通道，保存到d2到d4寄存器。vshr.u8q1,q0,#3

@把R通道右移3比特，丟棄G通道比特vshrn.i16d2,q1,#5

@右移并變窄，取得R分量數(shù)據(jù)到d2寄存器vshrn.i16d3,q0,#5

@右移并變窄取得G分量數(shù)據(jù)vshl.i8d3,d3,#2

@左移G分量2個比特，丟棄R分量部分，同時把G分量保存到正確的位置；vshl.i16

q0,q0,#3

@把B分量左移到最重要的8-bit數(shù)據(jù)vmovn.i16d4,q0

@丟地仍然有的R和G分量，保存B分量為8-bit你可能注意到，這樣轉(zhuǎn)換成RGB888格式后，原來的白就不是完全的白色了，這是因為R和B分量是左移3bit，而G分量則只左移兩bit，因而如RGB565值(0x1F,0x3F,0x1F)變成RGB888(0xF8,0xFC,0xF8)，并不跟以前的表示顏色一致。從RGB888到RGB565從RGB888轉(zhuǎn)換成RGB565，假設(shè)RGB888的輸入是用上面代碼表示的形式，單獨通道的分量保存在從寄存器d0到d2，結(jié)果保存到16-bit的RGB565格式到q2寄存器。

vshll.u8

q2,d0,#8

@左移紅色分量到16bit結(jié)果中的最重要的5bitvshll.u8

q3,d1,#8

@左移綠色分量數(shù)據(jù)到16bit最重要的8比特