教你在RISCV中使用DSP指令!

• 1.概述

• 2.RISCV P擴(kuò)展編程實(shí)踐(內(nèi)聯(lián)匯編)

• ADD16 (SIMD 16-bit Addition)

• 3.RISCV P擴(kuò)展編程實(shí)踐(庫(kù)函數(shù))

• 4.總結(jié)

1.概述

DSP有相關(guān)的專業(yè)芯片，能夠?qū)ｉT實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能，相比于通用處理器，DSP芯片專門用于計(jì)算，可以在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行多條計(jì)算。隨著單片機(jī)對(duì)計(jì)算功能的需求越來(lái)越多，如果用傳統(tǒng)的通用處理器去執(zhí)行大數(shù)據(jù)的計(jì)算，將會(huì)消耗許多的機(jī)器周期，導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性變低。于是，一些通用芯片上也開始集成DSP擴(kuò)展，比如常見的ARM Cortex-R和ARM Cortex-M內(nèi)核。

有了這些DSP擴(kuò)展支持，其功能更加強(qiáng)大，使用上，許多的辦法都可以進(jìn)行。比如常用的CMSIS-DSP。就是arm提供的DSP的編程庫(kù)。

https://arm-software.github.io/CMSIS_5/DSP/html/deprecated.html

使用上可以只需要將lib庫(kù)和頭文件包含到項(xiàng)目中即可。這樣就可以使用CMSIS里面的函數(shù)功能，比如求正余弦函數(shù)。

arm_cos_f32(radians);

如果用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)庫(kù)中的cos函數(shù)，同樣也能夠達(dá)到目的，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)則需要消耗更多的機(jī)器周期，而使用了DSP庫(kù)，則更加方便高效的進(jìn)行計(jì)算。

上述是ARM對(duì)DSP支持的使用，RISCV也支持DSP擴(kuò)展，在RISCV的架構(gòu)手冊(cè)上，就對(duì)DSP擴(kuò)展有著一些描述。

https://github.com/riscv/riscv-p-spec

目前的支持riscv dsp的riscv core已經(jīng)有了，但是實(shí)際的硬件芯片，市面上還沒有見到。目前riscv 的 p擴(kuò)展還是處于沒有穩(wěn)定的階段，通過(guò)文檔的閱讀，也能夠大致的描述最終的模型。

首先其特點(diǎn)如下：

RISCV DSP擴(kuò)展是采用的通用寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這意味著SIMD的寄存器的單位是以通用寄存器的寬度作為標(biāo)準(zhǔn)，如果是RV32，寄存器的長(zhǎng)度是32，如果是RV64，則寄存器的長(zhǎng)度為64。

相比于RISCV 的RVV，DSP擴(kuò)展其寄存器的長(zhǎng)度有限，但是對(duì)于并不復(fù)雜的計(jì)算來(lái)說(shuō)，已經(jīng)足夠，特別是簡(jiǎn)單的音頻，圖形編解碼，電機(jī)控制等等，都是非常好用的。

下面來(lái)描述一下具體如何在RISCV上進(jìn)行DSP的編程。

2.RISCV P擴(kuò)展編程實(shí)踐(內(nèi)聯(lián)匯編)

riscv-p-spec規(guī)定了P擴(kuò)展的一些常用的函數(shù)功能。

ADD16 (SIMD 16-bit Addition)

Type: SIMD

Format:

31 25	24 20	19 15	14 12	11 7	6 0
ADD16 0100000	Rs2	Rs1	000	Rd	OP-P 1110111

Syntax:

ADD16 Rd, Rs1, Rs2

Purpose: Perform 16-bit integer element additions in parallel.

Description: This instruction adds the 16-bit integer elements in Rs1 with the 16-bit integer elements in Rs2, and then writes the 16-bit element results to Rd.

Operations:

Rd.H[x] = Rs1.H[x] + Rs2.H[x]; for RV32: x=1..0, for RV64: x=3..0

Exceptions: None

Privilege level: All

Note: This instruction can be used for either signed or unsigned addition.

Intrinsic functions:

• Required:

  uintXLEN_t __rv__add16(uintXLEN_t a, uintXLEN_t b);
  

• Optional (e.g., GCC vector extensions):

  RV32:
   uint16x2_t __rv__v_uadd16(uint16x2_t a, uint16x2_t b);
   int16x2_t __rv__v_sadd16(int16x2_t a, int16x2_t b);
  RV64:
   uint16x4_t __rv__v_uadd16(uint16x4_t a, uint16x4_t b);
   int16x4_t __rv__v_sadd16(int16x4_t a, int16x4_t b);
  

在上述的指令中，規(guī)定了add16的編碼規(guī)則，對(duì)于RV32來(lái)說(shuō)，一個(gè)寄存器的位寬是16，那么可以將一個(gè)寄存器拆分成兩個(gè)單元，一個(gè)機(jī)器周期，同時(shí)執(zhí)行兩條加法。同樣的指令，在RV64上，則可以拆分成四個(gè)單元，一個(gè)機(jī)器周期，可以執(zhí)行四條加法。

通過(guò)對(duì)編譯出來(lái)的程序進(jìn)行反匯編，可以得到對(duì)應(yīng)的匯編代碼。

當(dāng)然，如果要實(shí)現(xiàn)dsp指令的擴(kuò)展，目前官方的編譯器還沒有完全支持riscv的dsp擴(kuò)展。如果要完成帶有dsp指令的支持的gcc編譯器，需要對(duì)編譯器進(jìn)行一定的定制。因?yàn)槟壳皉iscv的p擴(kuò)展，并未完全定稿，如果完善后，應(yīng)該會(huì)被合并到主線主線。

其中編程的方式采用gcc內(nèi)部的內(nèi)聯(lián)函數(shù)的方式進(jìn)行，在《P-ext-proposal.adoc》中，規(guī)定了Intrinsic functions的形式，比如add16。

uintXLEN_t __rv__add16(uintXLEN_t a, uintXLEN_t b);

RV32:
 uint16x2_t __rv__v_uadd16(uint16x2_t a, uint16x2_t b);
 int16x2_t __rv__v_sadd16(int16x2_t a, int16x2_t b);
RV64:
 uint16x4_t __rv__v_uadd16(uint16x4_t a, uint16x4_t b);
 int16x4_t __rv__v_sadd16(int16x4_t a, int16x4_t b);

那么有上述函數(shù)可以供調(diào)用，不需要任何的庫(kù)文件的支持，因?yàn)樵趃cc編譯器中，內(nèi)部自己可以根據(jù)這些內(nèi)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行匯編實(shí)現(xiàn)。

使用時(shí)，只需要包含gcc自帶的dsp相關(guān)的頭文件即可。

#include  static __attribute__ ((noinline))
unsigned long add16 (unsigned long ra, unsigned long rb)
{ return __rv__add16 (ra, rb);
}

使用技巧上并未特殊方法，但是目前，這基本上是比直接寫匯編更加高效的dsp編程方式了。

3.RISCV P擴(kuò)展編程實(shí)踐(庫(kù)函數(shù))

在很多情況下，底層的DSP指令雖然可以完成很多功能，不同的組合方式將能夠帶來(lái)不同效果，但是這些基礎(chǔ)庫(kù)的使用，在很多方面也需要編程人員有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并不能提供通用的math計(jì)算方法，這時(shí)使用庫(kù)函數(shù)將能夠在很大程度上解決這個(gè)問題。類似ARM的CMSIS-DSP。RISCV生態(tài)上也有一個(gè)NMSIS。

https://github.com/Nuclei-Software/NMSIS

可以將riscv的標(biāo)準(zhǔn)的dsp指令通過(guò)組合，形成更加通用的數(shù)學(xué)庫(kù)，比如sin或者cos，fft,matrix等等，一些常用的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，都可以在里面找到。對(duì)于做嵌入式AI來(lái)說(shuō)，已經(jīng)十分完善。

使用方法上，首先需要添加NMSIS的的lib文件，然后包含頭文件。

#include "riscv_math.h" 

直接調(diào)用NMSIS庫(kù)中暴露出來(lái)的函數(shù)即可。

float32_t xx = riscv_cos_f32(float32_t cos);

這種方式更加直接，也能減少編程人員對(duì)DSP函數(shù)的使用不熟悉，帶來(lái)的一些人為的錯(cuò)誤，所以NMSIS可以說(shuō)是DSP指令的上層軟件。使用該庫(kù)可以很容易的進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)運(yùn)算。

4.總結(jié)

在riscv的芯片中，如果要使用DSP，首先需要該芯片的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了riscv的p擴(kuò)展，硬件支持的情況下，再適配編譯器，編譯器也將DSP的支持添加進(jìn)去。這樣可以直接使用DSP擴(kuò)展的指令了。然而直接使用DSP提供的指令進(jìn)行計(jì)算，工作量還是很大，同時(shí)優(yōu)化也不一定非常的好，此時(shí)使用NMSIS庫(kù)提供的函數(shù)，直接利用優(yōu)化好的數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，這樣才是高效最簡(jiǎn)單的方式。