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ARM指令详细解释

2018-03-19 11:20 169 查看
转自:http://blog.csdn.net/chshplp_liaoping/article/details/12752749
在移动平台上进行一些复杂算法的开发,一般需要用到指令集来进行加速。目前在移动上使用最多的是ARM芯片。ARM是微处理器行业的一家知名企业,其芯片结构有:armv5、armv6、armv7和armv8系列。芯片类型有:arm7、arm9、arm11、cortex系列。指令集有:armv5、armv6和neon指令。关于ARM到知识参考:http://baike.baidu.com/view/11200.htm最初的ARM指令集为通用计算型指令集,指令集都是针对单个数据进行计算,没有并行计算到功能。随着版本的更新,后面逐渐加入了一些复杂到指令以及并行计算到指令。而NEON指令是专门针对大规模到并行运算而设计的。NEON 技术可加速多媒体和信号处理算法(如视频编码/解码、2D/3D 图形、游戏、音频和语音处理、图像处理技术、电话和声音合成),其性能至少为ARMv5 性能的3倍,为 ARMv6 SIMD性能的2倍。关于SIMD和SISD:Single Instruction Multiple Data,单指令多数据流。反之SISD是单指令单数据。以加法指令为例,单指令单数据(SISD)的CPU对加法指令译码后,执行部件先访问内存,取得第一个操作数;之后再一次访问内存,取得第二个操作数;随后才能进行求和运算。而在SIMD型的CPU中,指令译码后几个执行部件同时访问内存,一次性获得所有操作数进行运算。这个特点使SIMD特别适合于多媒体应用等数据密集型运算。如下图所示:   

如何才能快速到写出高效的指令代码?这就需要对各个指令比较熟悉,知道各个指令的使用规范和使用场合。ARM指令有16个32位通用寄存器,为r0-r15,其中r13为堆栈指针寄存器,r15为指令计算寄存器。实际可以使用的寄存器只有14个。r0-r3一般作为函数参数使用,函数返回值放在r0中。若函数参数超过4个,超过到参数压入堆栈。有效立即数的概念:每个立即数采用一个8位的常数(bit[7:0])循环右移偶数位而间接得到,其中循环右移的位数由一个4位二进制(bit[11:8] )的两倍表示。如果立即数记作<immediate> , 8位常数记作immed_8 , 4位的循环右移值记作rotate_imm ,有效的立即数是由一个8位的立即数循环右移偶数位得到,可以表示成:<immediate>=immed_8循环右移( 2×rotate_imm)如:mov r4 , #0x8000 000A    #0x8000 000A 由0xA8循环右移0x2位得到。下面介绍一些比较常用到一些指令。
内存访问指令:LDR和STR,有三种方式,比较容易搞混LDR r0, [r1, #4]   r0 := mem[r1+4]   ,#4是直接偏移量,这时候只能在正负4Kb到范围内。也可以是寄存器偏移,用+/-表示。记住r1不进行偏移。LDR r0, [r1, #4]!  r0 :=mem[r1+4],r1 := r1 + 4,取值是取偏移量到值,并且r1进行偏移。LDR r0, [r1], #4   r0 :=mem[r1] ,r1 := r1 +4,取值是取r1地方到值,取值后进行偏移。运算后自动加4,后变址。另外:LDRB是无符号字节,SB是有符号字节,H无符号半字,SH有符号半字。 存储器和寄存器数据交换:SWP,SWPB如SWP r0, r1, [r2]   r0 := mem[r2],mem[r2] := r1多寄存器数据传输:LDMIA r1, {r0,r2,r5}  r0 = mem[r1], r2 = mem[r1+4], r5=mem[r1+8] 通用数据处理指令第二操作数,常用到有LSR,LSL等,如mov r1, r2, lsl #2 将r2左移2位然后赋值到r1中。常用到操作有ADD、SUB、AND、ORR、EOR、BIC、ORN,如果加上了S则会更新条件标记。MOV移动,MVN取反移动。MOV可以是R寄存器,立即数以及接第二操作数。REV:在字或半字内反转字节或位到顺序MUL、MLA和MLS,乘法、乘加和乘减。MLA R1,R2,R3,R4表示R1=R2*R3+R4,还有有符号和无符号乘法等。 跳转指令B:无条件跳转,BL:带链接到跳转,BX跳转并交换指令集等。 

重点介绍一下NEON指令,目前使用较多。而且使用难度也较大,很多文档上都没有比较详细到介绍,也没有给出相应到例子或者图示。 一、NEON基本知识NEON的寄存器:有16个128位四字到寄存器Q0-Q15,32个64位双子寄存器D0-D31,两个寄存器是重叠的,在使用到时候需要特别注意,不小心就会覆盖掉。如下图所示:两个寄存器的关系:Qn =D2n和D2n+1,如Q8是d16和d17的组合。 

NEON的数据类型:注意数据类型针对到时操作数,而不是目标数,这点在写的时候要特别注意,很容易搞错,尤其是对那些长指令宽指令的时候,因为经常Q和D一起操作。 

NEON中的正常指令、宽指令、窄指令、饱和指令、长指令正常指令:生成大小相同且类型通常与操作数向量相同到结果向量长指令:对双字向量操作数执行运算,生产四字向量到结果。所生成的元素一般是操作数元素宽度到两倍,并属于同一类型。L标记,如VMOVL。宽指令:一个双字向量操作数和一个四字向量操作数执行运算,生成四字向量结果。W标记,如VADDW。窄指令:四字向量操作数执行运算,并生成双字向量结果,所生成的元素一般是操作数元素宽度的一半。N标记,如VMOVN。饱和指令:当超过数据类型指定到范围则自动限制在该范围内。Q标记,如VQSHRUN 二、NEON指令NEON指令较多,下面主要介绍一些常见的指令用法。 复制指令:VMOV:两个arm寄存器和d之间vmov d0, r0, r1:将r1的内容送到d0到低半部分,r0的内容送到d0到高半部分vmov r0, r1, d0:将d0的低半部分送到r0,d0的高半部分内容送到r1一个arm寄存器和d之间vmov.U32 d0[0], r0:将r0的内容送到d0[0]中,d0[0]指d0到低32位vmov.U32 r0, d0[0]:将d0[0]的内容送到r0中立即数:vmov.U16 d0, #1:将立即数1赋值给d0的每个16位vmov.U32 q0, #1:将立即数1赋值给q0的每个32位长指令:VMOVL:d赋值给qvmovl.U16 q0, d0:将d0的每个16位数据赋值到q0的每个32位数据中窄指令:VMOVN:q赋值给dvmovn.I32 d0, q0:将q0的每32位数据赋值到q0的每16位数据中饱和指令:VQMOVN等,饱和到指定的数据类型 vqmovun.S32 d0, q0:将q0到每个32位移动到d0中到每个16位中,范围是0-65535        VDUP:VDUP.8 d0, r0:将r0复制到d0中,8位VDUP.16 q0, r0:将r0复制到q0中,16位VDUP.32 q0, d2[0]:将d2的一半复制到q0中VDUP.32 d0, d2[1]:将d2的一半复制到d0中注意是vdup可以将r寄存器中的内容复制到整个neon寄存器中,不能将立即数进行vdup,立即数只能用vmov 逻辑运算:VADD:按位与;VBIC:位清除;VEOR:按位异或;VORN:按位或非;VORR:按位或 移位指令:VSHL:左移、VSHLL:左移扩展、VQSHL:左移饱和、VQSHLU:无符号左移饱和扩展VSHR:右移、VSHRN:右移窄、VRSHR:右移舍入、VQSHRUN:无符号右移饱和舍入 通用算术指令:VABA:绝对值累加、VABD:绝对值相加、VABS:绝对值、VNEG:求反、VADD、VADDW、VADDL、VSUB、VSUBL、VSUBW:加减VPADD:将两个向量的相邻元素相加如VPADD.I16 {d2}, d0, d1


VPADDL:VPADDL.S16 d0, d1


VMAX:最大值,VMIN:最小值VMUL、VMULL、VMLA(乘加)、VMLS(乘减)、 加载存储指令:VLD和VST




交叉存取的示意图:

VREV反转元素指令:

 VEXT移位指令:

 VTRN转置指令:可以用于矩阵的转置




VZIP指令:压缩,类似交叉存取

VUZP指令:解压操作,类似交叉存取


 VTBL查表指令:从d0,d1中查找d3中的索引值,如果找到则取出,没有找到则为0,存入d2中

 三、需要注意的地方    load数据的时候,第一次load会把数据放在cache里面,只要不超过cache的大小,下一次load同样数据的时候,则会比第一次load要快很多,会直接从cache中load数据,这样在汇编程序设计的时候是非常需要考虑的问题。     如:求取一个图像的均值,8*8的窗口,先行求和,然后列求和出来均值,这时候会有两个函数,数据会加载两遍,如果按照这样去优化的话则优化不了多少。如果换成上面这种思路,先做行16行,然后再做列,这样数据都在cache里面,做列的时候load数据会很快。   在做neon乘法指令的时候会有大约2个clock的阻塞时间,如果你要立即使用乘法的结果,则就会阻塞在这里,在写neon指令的时候需要特别注意。乘法的结果不能立即使用,可以将一些其他的操作插入到乘法后面而不会有时间的消耗。如:vmul.u16 q1, d3, d4          vadd.u32 q1, q2, q3此时直接使用乘法的结果q1则会阻塞,执行vadd需要再等待2个clock的时间使用饱和指令的时候,如乘法饱和的时候,在做乘法后会再去做一次饱和,所以时间要比直接做乘法要慢。如:  vmul.u16 q1, d3, d4          vqmul.u32 q1, q2, q3后一个的时间要比第一个的时间要久。在对16位数据进行load或者store操作的时候,需要注意的是字节移位。比如是16位数据,则load 8个16位数据,如果指定寄存器进行偏移,此时需要特别注意。例如:vld1.64 {d0}, [r0], r1 参考资料:http://blogs.arm.com/software-enablement/277-coding-for-neon-part-4-shifting-left-and-right/http://blogs.arm.com/software-enablement/161-coding-for-neon-part-1-load-and-stores/http://blogs.arm.com/software-enablement/684-coding-for-neon-part-5-rearranging-vectors/
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