NEON技术粗浅认识
1、簡介
???????? 微處理器處理數據主要分為以下幾種：
Single instruction single data—SISD
Single instruction multiple data(vectormode)—SIMD
Single instruction multiple data(packeddata mode)—SIMD
（1）SISD
???????? 一次指令操作一個數據。如下例子4次指令操作才完成8個寄存器相加：
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數據，但是每個數據處理是順序執行，如下：
VADD.F32S24, S8, S16
//S24=S8+S16
//S25=S9+S17
//S26=S10+S18
//S27=S11+S19
一個指令，但是數據相加是順序執行。在ARM上這個也叫Vector Floating Point（VFP）。
（3）SIMD(packed data mode)
???????? 一次指令可以處理多個數據，由于使用大寄存器方式可以同時進行，如下：
VADD.I16Q10, Q8, Q9
一個指令將兩個64-bit寄存相加，I16表示數據類型int16，64-bit= 4 * 16，每個寄存器里4個16-bit lanes獨立相加，但是同時完成，如圖：
在ARM上這個叫做增強型SIMD技術或NEON技術。
2、寄存器信息
???????? 在armv7-A和armv7-R的體系架構上基本采用了neon技術，armv8也支持并與armv7兼容。VFP和NEON共用協處理器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寄存器就會是由相同數據類型組成的元素向量，一個寄存器（即一個向量）劃分為多個管道，每個管道包含一個數據元素。每個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簡稱D寄存器）和128-bit NEON vectors（quadword簡稱Q寄存器）。
64-bit NEON vectors包含：
8個8-bit elements（即8個管道，每個管道可以包含8bit的數據元素）
4個16-bit elements
2個32-bit elements
1個64-bit elements
128-bit NEONvectors包含：
16個8-bit elements
8個16-bit elments
4個32-bit elements
2個64-bit elements
???????? 這樣劃分就可以neon用在不同場景：像素處理8-bit，顏色處理16-bit等。
管道lane和元素element關系
執行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128-bit Q 寄存器，Q0~Q15
32個64-bit D寄存器，D0~D31
VFPv3-D32:
32個64-bit D寄存器，D0~D31
VFPv2或VFPv3-16：
16個64-bit D寄存器，D0~D15
VFP：
16個32-bit S寄存器
neon單元可以訪問Q0寄存器作為一個128-bit寄存器
neon單元可以訪問Q0寄存器作為兩個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支持的數據類型：
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3、neon使用方法
（1）匯編
???????? 通過匯編直接時鐘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
???????? 可以認為是內聯函數，但是在編譯時編譯器會將函數轉化為neon指令。調用該函數需要包含頭文件arm_neon.h，該頭文件包含了neon各種操作函數，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
匯編結果如下：
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（3）自動化向量（實際驗證未通過）
???????? 該方式需要對指針參數添加__restrict（用于限定和約束指針，表明指針是訪問一個數據對象的唯一且初始的方式）。簡單例子：
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:
???????? 該方法浮點運算會自動轉化為neon指令，而整型則不會。從第二小節可以知道neon支持整型操作，而實際圖像，顏色等都是整形數的，該方法對于這些操作就無法發揮neon指令優勢。
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（4）使用第三方優化庫
???????? 以下列舉了已經用neon優化過的庫，編譯時加入neon參數，然后調用相應接口進行操作。
A．Ne10
官網：http://projectne10.github.com/Ne10/
git地址：https://github.com/projectNe10/Ne10
C接口函數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/ 網站無法打開
OpenMAX由Khronosgroup(也是open Gl制定者)制定的開放多媒體加速層，是一個不需要授權、跨平臺的軟件抽象層，以C語言實現的軟件接口，提供了一下系列處理音頻、視頻、靜態圖片的API。
OpenMAX自上而下分為三個層次：OpenMAX AL，OpenMAXIL和OpenMAX DL。
OpenMAX AL:Application Layer，應用和多媒體中間層的標準接口，使得應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設備中使用的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，對用戶透明。
OpenMAX DL: Development Layer，最底層使用neon進行了優化
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C．ffmpeg
官網：http://ffmpeg.org/
git地址：https://github.com/FFmpeg/FFmpeg
???????? FFmpeg是一套可以用來記錄、轉換數字音頻、視頻，并能將其轉化為流的開源計算機程序。采用LGPL或GPL許可證。它提供了錄制、轉換以及流化音視頻的完整解決方案。它包含了非常先進的音頻/視頻編解碼庫libavcodec，為了保證高可移植性和編解碼質量，libavcodec里很多code都是從頭開發的。
?????? 功能包括視頻采集功能、視頻格式轉換、視頻抓圖、給視頻加水印等。
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D．Eigen3
?????? 官網：http://eigen.tuxfamily.org/
?????? Github：https://github.com/artsy/eigen
?????? Eigen是一個高層次的C ++庫，有效支持線性代數，矩陣和矢量運算，數值分析及其相關的算法
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E．Pixman
?????? 官網：http://pixman.org/
?????? 2D圖形庫
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F．x264
?????? 官網：http://www.videolan.org/developers/x264.html
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G．Math-neon
?????? 官網：http://code.google.com/p/math-neon/
??????
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（5）hi3536 目前使用neon的方法
?????? 目前，我們只是編譯時添加了參數，未做其他處理：
CFLAGS +=-mfloat-abi=softfp -mfpu=neon-vfpv4 -mno-unaligned-access-fno-aggressive-loop-optimizations。簡單例子;
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：
也是對浮點進行了neon操作，而整型是保持不變的。
?????? 因此使用的是第三種自動化向量的方法。
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4、neon應用例子
?????? 在《neon_programmers_guide.pdf》文檔中舉了好多個neon使用的例子：
A．交換RGB顏色通道
B．處理非對齊數組
C．矩陣計算
D．向量積
E．轉換色彩深度
F．中值濾波
G．FIR濾波
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5、官方參考文檔
?????? Neon資料比價少，在arm官網上可以查到如下幾個資料，第一個是詳細說明。
《neon_programmers_guide.pdf》
《introducing_neon.pdf》
《neon_support_in_compilation_tools.pdf》
總結
以上是生活随笔為你收集整理的NEON技术粗浅认识的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
