教你在RISCV中使用DSP指令!
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教你在RISCV中使用DSP指令!
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1.概述
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2.RISCV P擴展編程實踐(內聯(lián)匯編)
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ADD16 (SIMD 16-bit Addition)
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3.RISCV P擴展編程實踐(庫函數(shù))
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4.總結
1.概述
DSP有相關的專業(yè)芯片，能夠專門實現(xiàn)計算功能，相比于通用處理器，DSP芯片專門用于計算，可以在一個周期內執(zhí)行多條計算。隨著單片機對計算功能的需求越來越多，如果用傳統(tǒng)的通用處理器去執(zhí)行大數(shù)據的計算，將會消耗許多的機器周期，導致系統(tǒng)的實時性變低。于是，一些通用芯片上也開始集成DSP擴展，比如常見的ARM Cortex-R和ARM Cortex-M內核。
有了這些DSP擴展支持，其功能更加強大，使用上，許多的辦法都可以進行。比如常用的CMSIS-DSP。就是arm提供的DSP的編程庫。
https://arm-software.github.io/CMSIS_5/DSP/html/deprecated.html
使用上可以只需要將lib庫和頭文件包含到項目中即可。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);
如果用標準的數(shù)學庫中的cos函數(shù)，同樣也能夠達到目的，標準庫函數(shù)則需要消耗更多的機器周期，而使用了DSP庫，則更加方便高效的進行計算。
上述是ARM對DSP支持的使用，RISCV也支持DSP擴展，在RISCV的架構手冊上，就對DSP擴展有著一些描述。
https://github.com/riscv/riscv-p-spec
目前的支持riscv dsp的riscv core已經有了，但是實際的硬件芯片，市面上還沒有見到。目前riscv 的 p擴展還是處于沒有穩(wěn)定的階段，通過文檔的閱讀，也能夠大致的描述最終的模型。
首先其特點如下：
RISCV DSP擴展是采用的通用寄存器進行數(shù)據的存儲，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準，如果是RV32，寄存器的長度是32，如果是RV64，則寄存器的長度為64。
相比于RISCV 的RVV，DSP擴展其寄存器的長度有限，但是對于并不復雜的計算來說，已經足夠，特別是簡單的音頻，圖形編解碼，電機控制等等，都是非常好用的。
下面來描述一下具體如何在RISCV上進行DSP的編程。
2.RISCV P擴展編程實踐(內聯(lián)匯編)
riscv-p-spec規(guī)定了P擴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:
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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，對于RV32來說，一個寄存器的位寬是16，那么可以將一個寄存器拆分成兩個單元，一個機器周期，同時執(zhí)行兩條加法。同樣的指令，在RV64上，則可以拆分成四個單元，一個機器周期，可以執(zhí)行四條加法。
通過對編譯出來的程序進行反匯編，可以得到對應的匯編代碼。
當然，如果要實現(xiàn)dsp指令的擴展，目前官方的編譯器還沒有完全支持riscv的dsp擴展。如果要完成帶有dsp指令的支持的gcc編譯器，需要對編譯器進行一定的定制。因為目前riscv的p擴展，并未完全定稿，如果完善后，應該會被合并到主線主線。
其中編程的方式采用gcc內部的內聯(lián)函數(shù)的方式進行，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)可以供調用，不需要任何的庫文件的支持，因為在gcc編譯器中，內部自己可以根據這些內聯(lián)函數(shù)進行匯編實現(xiàn)。
使用時，只需要包含gcc自帶的dsp相關的頭文件即可。
#includestatic __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擴展編程實踐(庫函數(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不同效果，但是這些基礎庫的使用，在很多方面也需要編程人員有很強的數(shù)學基礎，并不能提供通用的math計算方法，這時使用庫函數(shù)將能夠在很大程度上解決這個問題。類似ARM的CMSIS-DSP。RISCV生態(tài)上也有一個NMSIS。
https://github.com/Nuclei-Software/NMSIS
可以將riscv的標準的dsp指令通過組合，形成更加通用的數(shù)學庫，比如sin或者cos，fft,matrix等等，一些常用的標準庫函數(shù)，都可以在里面找到。對于做嵌入式AI來說，已經十分完善。
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"
直接調用NMSIS庫中暴露出來的函數(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DSP函數(shù)的使用不熟悉，帶來的一些人為的錯誤，所以NMSIS可以說是DSP指令的上層軟件。使用該庫可以很容易的進行高效的數(shù)據運算。
4.總結
在riscv的芯片中，如果要使用DSP，首先需要該芯片的硬件設計實現(xiàn)了riscv的p擴展，硬件支持的情況下，再適配編譯器，編譯器也將DSP的支持添加進去。這樣可以直接使用DSP擴展的指令了。然而直接使用DSP提供的指令進行計算，工作量還是很大，同時優(yōu)化也不一定非常的好，此時使用NMSIS庫提供的函數(shù)，直接利用優(yōu)化好的數(shù)學函數(shù)進行數(shù)據計算，這樣才是高效最簡單的方式。
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