NEON技术粗浅认识
1、簡(jiǎn)介
???????? 微處理器處理數(shù)據(jù)主要分為以下幾種：
Single instruction single data—SISD
Single instruction multiple data(vectormode)—SIMD
Single instruction multiple data(packeddata mode)—SIMD
（1）SISD
???????? 一次指令操作一個(gè)數(shù)據(jù)。如下例子4次指令操作才完成8個(gè)寄存器相加：
addro, r5
add r1,r6
addr2, r7
addr3, r8
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（2）SIMD(vector mode)
???????? 一次指令可以處理多個(gè)數(shù)據(jù)，但是每個(gè)數(shù)據(jù)處理是順序執(zhí)行，如下：
VADD.F32S24, S8, S16
//S24=S8+S16
//S25=S9+S17
//S26=S10+S18
//S27=S11+S19
一個(gè)指令，但是數(shù)據(jù)相加是順序執(zhí)行。在ARM上這個(gè)也叫Vector Floating Point（VFP）。
（3）SIMD(packed data mode)
???????? 一次指令可以處理多個(gè)數(shù)據(jù)，由于使用大寄存器方式可以同時(shí)進(jìn)行，如下：
VADD.I16Q10, Q8, Q9
一個(gè)指令將兩個(gè)64-bit寄存相加，I16表示數(shù)據(jù)類型int16，64-bit= 4 * 16，每個(gè)寄存器里4個(gè)16-bit lanes獨(dú)立相加，但是同時(shí)完成，如圖：
在ARM上這個(gè)叫做增強(qiáng)型SIMD技術(shù)或NEON技術(shù)。
2、寄存器信息
???????? 在armv7-A和armv7-R的體系架構(gòu)上基本采用了neon技術(shù)，armv8也支持并與armv7兼容。VFP和NEON共用協(xié)處理器CP10和CP11的指令空間和寄存器，并成為ARM/Thumb指令集的一部分。
???????? NEON寄存器就會(huì)是由相同數(shù)據(jù)類型組成的元素向量，一個(gè)寄存器（即一個(gè)向量）劃分為多個(gè)管道，每個(gè)管道包含一個(gè)數(shù)據(jù)元素。每個(gè)neon指令就是這些管道元素并行操作，且互相不影響。Neon劃分為兩種向量：64-bit NEON vectors（doubleword簡(jiǎn)稱D寄存器）和128-bit NEON vectors（quadword簡(jiǎn)稱Q寄存器）。
64-bit NEON vectors包含：
8個(gè)8-bit elements（即8個(gè)管道，每個(gè)管道可以包含8bit的數(shù)據(jù)元素）
4個(gè)16-bit elements
2個(gè)32-bit elements
1個(gè)64-bit elements
128-bit NEONvectors包含：
16個(gè)8-bit elements
8個(gè)16-bit elments
4個(gè)32-bit elements
2個(gè)64-bit elements
???????? 這樣劃分就可以neon用在不同場(chǎng)景：像素處理8-bit，顏色處理16-bit等。
管道lane和元素element關(guān)系
執(zhí)行neon指令：VADD.I16 Q0, Q1, Q2，Q代表128-bit寄存器，I16代表16-bit，這句話就是8個(gè)16-bit lanes的128-bit向量寄存器相加，如圖所示：
???????? VFP和NEON是共享寄存器空間，因此寄存器存是重疊的，如圖所示：
Neon 寄存器單元：
16個(gè)128-bit Q 寄存器，Q0~Q15
32個(gè)64-bit D寄存器，D0~D31
VFPv3-D32:
32個(gè)64-bit D寄存器，D0~D31
VFPv2或VFPv3-16：
16個(gè)64-bit D寄存器，D0~D15
VFP：
16個(gè)32-bit S寄存器
neon單元可以訪問Q0寄存器作為一個(gè)128-bit寄存器
neon單元可以訪問Q0寄存器作為兩個(gè)64-bit寄存器D0和D1
neon不能范圍32-bit的S寄存器，但VFP可以訪問32-bit
???????? 下表是neon支持的數(shù)據(jù)類型：
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3、neon使用方法
（1）匯編
???????? 通過匯編直接時(shí)鐘neon指令：
.text
.arm
.global double_elements
double_elements:
vadd.i32 q0,q0,q0
bx? lr
.end
arm-hisiv300-linux-as -mfloat-abi=softfp-mfpu=neon-vfpv4 neon_as.S
m-hisiv300-linux-as -mfloat-abi=softfp-mfpu=neon-vfpv4 neon_as.S
該種方式效率最高，但是難度大，移植性差
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（2）使用arm提供的Intrinsics函數(shù)
???????? 可以認(rèn)為是內(nèi)聯(lián)函數(shù)，但是在編譯時(shí)編譯器會(huì)將函數(shù)轉(zhuǎn)化為neon指令。調(diào)用該函數(shù)需要包含頭文件arm_neon.h，該頭文件包含了neon各種操作函數(shù)，具體可以該頭文件arm-hisiv300-linux/lib/gcc/arm-hisiv300-linux-uclibcgnueabi/4.8.3/include/arm_neon.h或參考文檔《neon_programmers_guide.pdf》附錄D。
簡(jiǎn)單例子：
#include <arm_neon.h>
uint32x4_t double_elements(uint32x4_tinput)
{
???????? return(vaddq_u32(input,input));
}
arm-hisiv300-linux-gcc -mfloat-abi=softfp-mfpu=neon-vfpv4 -c neon_in.c
匯編結(jié)果如下：
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（3）自動(dòng)化向量（實(shí)際驗(yàn)證未通過）
???????? 該方式需要對(duì)指針參數(shù)添加__restrict（用于限定和約束指針，表明指針是訪問一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的唯一且初始的方式）。簡(jiǎn)單例子：
void add_ints(int * __restrictpa, int * __restrict pb, unsigned int n, int x)
{
???????? unsigned int i;
???????? for(i = 0; i < (n & ~3); i++)
?????????????????? pa[i] = pb[i] + x;
}
void add_floats(float *__restrict pa, float * __restrict pb, unsigned int n, float x)
{
??? unsigned int i;
??? for(i = 0; i < (n & ~3); i++)
??????? pa[i] = pb[i] + x;
}
arm-hisiv300-linux-gcc -mfloat-abi=softfp -mfpu=neon-vfpv4-ftree-vectorize?-ftree-vectorizer-verbose=1 -c neon_av.c
匯編如下:
???????? 該方法浮點(diǎn)運(yùn)算會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為neon指令，而整型則不會(huì)。從第二小節(jié)可以知道neon支持整型操作，而實(shí)際圖像，顏色等都是整形數(shù)的，該方法對(duì)于這些操作就無(wú)法發(fā)揮neon指令優(yōu)勢(shì)。
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（4）使用第三方優(yōu)化庫(kù)
???????? 以下列舉了已經(jīng)用neon優(yōu)化過的庫(kù)，編譯時(shí)加入neon參數(shù)，然后調(diào)用相應(yīng)接口進(jìn)行操作。
A．Ne10
官網(wǎng)：http://projectne10.github.com/Ne10/
git地址：https://github.com/projectNe10/Ne10
C接口函數(shù)提供了匯編和常用處理方法
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B．OpenMAX DL
???????? 地址：http://www.khronos.org/openmax/ 網(wǎng)站無(wú)法打開
OpenMAX由Khronosgroup(也是open Gl制定者)制定的開放多媒體加速層，是一個(gè)不需要授權(quán)、跨平臺(tái)的軟件抽象層，以C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的軟件接口，提供了一下系列處理音頻、視頻、靜態(tài)圖片的API。
OpenMAX自上而下分為三個(gè)層次：OpenMAX AL，OpenMAXIL和OpenMAX DL。
OpenMAX AL:Application Layer，應(yīng)用和多媒體中間層的標(biāo)準(zhǔn)接口，使得應(yīng)用在多媒體接口上具有了可移植性
OpenMAX IL: Integration Layer，作為在嵌入式和移動(dòng)設(shè)備中使用的audio,video,images codecs的底層接口。使得AP和多媒體框架可以以統(tǒng)一的方式訪問多媒體codec和支持組件。Codec可以是硬件和軟件的任意組合，對(duì)用戶透明。
OpenMAX DL: Development Layer，最底層使用neon進(jìn)行了優(yōu)化
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C．ffmpeg
官網(wǎng)：http://ffmpeg.org/
git地址：https://github.com/FFmpeg/FFmpeg
???????? FFmpeg是一套可以用來記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻、視頻，并能將其轉(zhuǎn)化為流的開源計(jì)算機(jī)程序。采用LGPL或GPL許可證。它提供了錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案。它包含了非常先進(jìn)的音頻/視頻編解碼庫(kù)libavcodec，為了保證高可移植性和編解碼質(zhì)量，libavcodec里很多code都是從頭開發(fā)的。
?????? 功能包括視頻采集功能、視頻格式轉(zhuǎn)換、視頻抓圖、給視頻加水印等。
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D．Eigen3
?????? 官網(wǎng)：http://eigen.tuxfamily.org/
?????? Github：https://github.com/artsy/eigen
?????? Eigen是一個(gè)高層次的C ++庫(kù)，有效支持線性代數(shù)，矩陣和矢量運(yùn)算，數(shù)值分析及其相關(guān)的算法
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E．Pixman
?????? 官網(wǎng)：http://pixman.org/
?????? 2D圖形庫(kù)
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F．x264
?????? 官網(wǎng)：http://www.videolan.org/developers/x264.html
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G．Math-neon
?????? 官網(wǎng)：http://code.google.com/p/math-neon/
??????
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（5）hi3536 目前使用neon的方法
?????? 目前，我們只是編譯時(shí)添加了參數(shù)，未做其他處理：
CFLAGS +=-mfloat-abi=softfp -mfpu=neon-vfpv4 -mno-unaligned-access-fno-aggressive-loop-optimizations。簡(jiǎn)單例子;
float sum1(floata, float b)
{
?????? return (a+b);
}
int sum2(int a,int b)
{
?????? return (a+b);
}
arm-hisiv300-linux-gcc -mfloat-abi=softfp -mfpu=neon-vfpv4-c neon.c
匯編如下：
也是對(duì)浮點(diǎn)進(jìn)行了neon操作，而整型是保持不變的。
?????? 因此使用的是第三種自動(dòng)化向量的方法。
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4、neon應(yīng)用例子
?????? 在《neon_programmers_guide.pdf》文檔中舉了好多個(gè)neon使用的例子：
A．交換RGB顏色通道
B．處理非對(duì)齊數(shù)組
C．矩陣計(jì)算
D．向量積
E．轉(zhuǎn)換色彩深度
F．中值濾波
G．FIR濾波
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5、官方參考文檔
?????? Neon資料比價(jià)少，在arm官網(wǎng)上可以查到如下幾個(gè)資料，第一個(gè)是詳細(xì)說明。
《neon_programmers_guide.pdf》
《introducing_neon.pdf》
《neon_support_in_compilation_tools.pdf》
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的NEON技术粗浅认识的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
