NEON Programmer's Guide(2) —— 让编译器帮你实现NEON加速

本文内容基于《NEON Prgrammer’s Guide》（下称NPG）第二章Compiling NEON Instruction，所有编译命令都基于gcc-arm

简介

让你的程序使用arm内核的NEON unit进行并行计算，提升嵌入式程序性能，一般有3种方法：

1. 手撸NEON代码，无论是汇编还是Intrinsics
2. 使用NEON库
3. 让编译器将代码编译成NEON指令

第1项是NPG的正题，以后再说，这一章还是说一些简单的，比如第2项和第3项。

NEON库

NPG中推荐了几个开源的利用NEON进行优化的函数库（不过我看的是2013年的NPG，是不是后来又出了其他库就不知道了），有需要百度库名即可：

1. Ne10，将NEON指令封装成了C语言函数，实现了一些基础数学和dsp运算，估计以后会用，用的时候再介绍
2. OpenMAX，open media acceleraion，一个多媒体加速库，有为ARM实现的NEON加速版本
3. ffmpeg，搞音视频的应该比较熟悉，一个音视频编解码库。
4. Eigen3，一个线性代数的C++库，做图像或者机器人的朋友应该常用
5. Pixman，一个2D图形图像函数库
6. x264，一个H.264的图像编码库
7. Math-noen，另外一个数学操作函数库
8. libjpeg-turbo，这个书里没有，是我刚刚用过的jpeg图像加速编解码库

让编译器将代码编译成NEON指令

NGP书中，一般用vectorization来表示使用NEON指令来进行并行计算加速，所以让编译器来帮我们进行vectorization就叫做auto-vectorization。一般有3个步骤：

确定你的处理器有NEON unit

linux环境下命令行输入

cat /proc/cpuinfo | grep neon

，如果有输出

Features : swp half thumb fastmult vfp edsp thumbee neon vfpv3

类似的输出，恭喜你，你的cpu有neon unit。如果没有，那么我也没啥办法，查查cpu的datasheet吧。

不过要注意的是，NEON unit在开机了之后是默认disable的（上述指令表示你的cpu有NEON unit这个硬件）。

但是Linux系统会在执行程序的时候，第一次遇到NEON指令时，会使能NEON unit，直至遇到上下文切换。所以使用Linux的同学应该不用担心。如果自己编译内核的同学，则需要注意一下，在编译过程中需要在Floating point emulation选项下打开VFP-fomat floating point maths和Advanced SIMD(NEON) Extension support。

对于使用其他OS或者裸机跑程序（ARM裸机，这个有点虎）的同学，则需要手动使能NEON unit,

// Bare-minimum start-up code to run NEON code
__asm void EnableNEON(void)
{
	MRC p15,0,r0,c1,c0,2 // Read CP Access register
	ORR r0,r0,#0x00f00000 // Enable full access to NEON/VFP by enabling access to
	 // Coprocessors 10 and 11
	MCR p15,0,r0,c1,c0,2 // Write CP Access register
	ISB
	MOV r0,#0x40000000 // Switch on the VFP and NEON hardware
	MSR FPEXC,r0 // Set EN bit in FPEXC
}
           

写出能被vectorization的代码

NPG中提供了一些原则，可以帮助我们的code更好的被编译器实现vetorization，

1. 让循环变得尽可能的简单和短，比如说，

int a[10]={0}, b[10]={0}, c[10]={0};
// ×
for (int i=0; i<10; i++)
{
	a[i] += 1;
	b[i] += 2;
	c[i] += 3;
}
// √
for (int i=0; i<10; i++)
	a[i] += 1;
for (int i=0; i<10; i++)
	b[i] += 2;
for (int i=0; i<10; i++)
	c[i] += 3;
	
// 其实上面这样写的目的是为了在一个循环里面可以连续寻址，加载进NEON寄存器，
// 所以下面这种写法就不如合起来写
struct rgb {char r; char g; char b};
struct rgb out[10];
for (...) 
	out[i].r = ...;
for (...) 
	out[i].g = ...;
for (...) 
	out[i].b = ...;
           

1. 在循环中避免使用break和if
2. 尽量让循环次数时2的幂
3. 尽量让编译器能知道要循环多少次，比如说

// 编译器对循环次数一无所知
void func(int n)
{
	for (int i=0; i<n; i++)
	{
		...
	}
}
// 编译器知道循环次数是4的倍数
void func(int n)
{
	for (int i=0; i<n & (~3); i++)
	// or for (int i=0; i<n*4; i++)
	{
		...
	}
}
           

1. 循环内的函数调用尽量使用inline
2. 多用数组来indexing，而不要用指针
3. 不要用Indirect Addressing（这个我也没懂，反正应该不是寄存器的简介寻址）
4. 使用restrict关键字让编译器知道code中没有使用重叠的内存区域
5. 关于结构体，NPG中说了两种不好的写法，

// 有的同学会为了对齐到32-bit在下面结构体的最后加上一个not_used的字段，
// 但是在循环中没有用到not_used字段，会打断第1点中说的NEON连续寻址，所以编译器也不会做auto-vectorization
struct aligned_pixel 
{ 
	char r; 
	char g;
	char b; 
	char not_used; /* Padding used to keep r aligned to a 32-bit word */
}screen[10];
// 这个就更不用说了， 数据类型都不一样，编译器会说我好难。
// 不缺内存的情况下，可以将结构体中的数据类型都对齐到最宽的数据类型
struct pixel 
{ 
char r; 
short g; /* Green channel contains more information */ 
char b; 
}screen[10];
           

NPG中在好多地方分散说了很多进行vectorization的代码注意要点，我这边总结了我认为比较重要的部分，但难免有些细节遗漏，如果有兴趣，可以深入看看NPG第2章。其实总结起来，无非是如果你的code你自己要做vectorization都觉得困难，那就别指望编译器了。

利用gcc进行vectorization

编译使用选项——

gcc/g++ xxx.c -o target -ftree-vectorize -mfpu=neon -mcpu=cortex-aN

其中，

1. -ftree-vectorize

   表示让编译器进行vectorization。在我的实际使用中，感觉没啥效果，要直接

   -O3

   才能vectorization

2. -mfpu

   指定FPU。对于我使用的cortex-a7，NPG推荐使用

   -mfpu=neon-vfpv4

   （不过只用

   neon

   好像也能用…）

处理器	-mfpu
cortex-a5	neon-fp16
cortex-a7	neon-vfpv4
cortex-a8	neon
cortex-a9	neon-fp16
cortex-a15	neon-vfpv4

1. -mcp

   指定cpu型号。