SVE架構(gòu)特性和指令基本用法介紹

SVE（Scalable Vector Extension）是arm AArch64架構(gòu)下的下一代SIMD指令集，旨在加速高性能計算，SVE引入了很多新的架構(gòu)特點， 比如

? 可變矢量長度

? 每通道預(yù)測

? 聚集加載和分散存儲

? 橫向操作

本文將對SVE做個基本介紹。

1. SIMD指令發(fā)展史 intel vs arm

從上圖我們可以看出，SIMD指令總體趨勢是向著越來越長的方向發(fā)展的，到了arm SVE，最長可以支持2048位的矢量操作。

2. 背景

Armv7的高級SIMD （即arm NEON 或“MPE” 多媒體處理引擎） 指令集自2005年發(fā)布，已經(jīng)面世十幾年了。Armv7 NEON的主要特性如下：

? 支持8/16/32位整數(shù)操作，支持非IEEE兼容單精度浮點操作，支持指令條件執(zhí)行

? 32個64位矢量寄存器，也可視為16個128位矢量寄存器

? 旨在CPU端加速多媒體處理任務(wù)

在升級到armv8架構(gòu)時，AArch64 NEON指令集做出了許多改進，比如：

? 支持IEEE兼容單精度和雙精度浮點操作和64位整數(shù)矢量操作

? 32個128位矢量寄存器

? 這些改進使NEON指令集更適用于通用計算，而不僅僅是多媒體計算

但是到了現(xiàn)在，armv8的新市場需要更徹底的SIMD指令改進。我們需要能夠并行處理非常規(guī)數(shù)據(jù)和復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也需要更長的矢量，SVE因此而生，SVE旨在加速高性能計算。

3. SVE特性

SVE是armv8 AArch64架構(gòu)的下一代SIMD指令集，它不是NEON的替代，而是聚焦于高性能計算。主要特性如下：

? 可變矢量長度

? 128位的整數(shù)倍。 最高可支持2048位

? 不同的實現(xiàn)可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，不用更改指令集

? 每通道預(yù)測

? 支持復(fù)雜嵌套循環(huán)和if/then/else條件跳轉(zhuǎn)， 沒有循環(huán)尾數(shù)。

? 聚集加載和分散存儲支持復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如步長數(shù)據(jù)存取、數(shù)組索引，鏈表等。

? 橫向操作

? 支持基本的reduction操作，降低循環(huán)依賴性

4. SVE寄存器

SVE寄存器有兩種：矢量寄存器和預(yù)測寄存器。

SVE共有32個可變長矢量寄存器Z0-Z31（128位的整數(shù)倍， 最高可達2048位） ，其中Z0-Z31的低128位［127:0］，與AArch64 SIMD&FP寄存器V0-V31共享硬件資源。假設(shè)SVE的矢量長度為256，其矢量寄存器視圖如下。SVE支持8/16/32/64位整數(shù)操作和單精度/雙精度浮點操作。

SVE預(yù)測寄存器用于控制每通道操作，有16個可變長預(yù)測寄存器P0-P15。每一個預(yù)測寄存器的位對應(yīng)矢量寄存器的字節(jié)。假設(shè)SVE的矢量長度為256，預(yù)測寄存器在管理32位和64位操作時，其視圖如下。在控制32位數(shù)據(jù)操作時，如果Pg寄存器的最低為1，則該通道操作為激活狀態(tài)，該通道操作結(jié)果被正常存儲到目的寄存器；如果Pg寄存器的最低為0，則該通道操作為未激活狀態(tài)，該通道操作結(jié)果不會被存儲到目的寄存器，目的寄存器的該通道數(shù)據(jù)有兩種可能：

? 指令指定為Pg/z - 清零模式，該通道數(shù)據(jù)被清零。

? 指令指定為Pg/m – 合并模式，該通道數(shù)據(jù)保持原值

5. SVE指令實例

下面我們通過一些實例來介紹常用SVE指令的用法。

a. 矢量加法

大家也許都熟悉NEON的指令格式（如下），NEON指令通過對指令助記符添加“f”前綴來區(qū)分整數(shù)操作和浮點操作，如“add”和“fadd”；另外通過寄存器后綴“.2s”、“.4s”、“.2d”表示操作兩個32位、四個32位數(shù)據(jù)、兩個64位數(shù)據(jù)。

? add v0.4s， v0.4s， v1.4s

? fadd v0.2s， v0.2s， v1.2s

? fadd v0.2d， v0.2d， v1.2d

SVE指令也通過對指令助記符添加 “f” 前綴來區(qū)分整數(shù)操作和浮點操作。但是SVE是未知矢量長度編程，因此在指令中我們只需要指明操作數(shù)據(jù)類型就可以了。

? add z0.s， z0.s， z1.s

? fadd z0.s， z0.s， z1.s

? fadd z0.d， z0.d， z1.d

b. 矢量加載

對于加載指令，NEON指令通過助記符“l(fā)d1”、“l(fā)d2”表示加載一維數(shù)組、二維數(shù)組；通過寄存器后綴“.8h”、“.4s”表示加載八個16位、四個32位數(shù)據(jù)。

? ld1 {v0.8h}， ［x1］

? ld1 {v0.4s}， ［x1］

? ld2 {v0.4s， v1，4s}， ［x1］

SVE加載指令添加指令助記符后綴 “h“、”w“表示讀取存儲元素寬度；寄存器后綴”.h“、”.s“表示元素在寄存器中的寬度。寄存器元素寬度必須大于等于讀取存儲寬度。對于加載指令，讀取元素可以通過符號擴展或者零擴展填充到矢量寄存器；對于存儲指令，每個矢量元素被截斷后存儲到內(nèi)存中。

? ld1h {z0.h}， p0/z， ［x1］

? ld1w {z0.s}， p0/z， ［x1］

? ld2w {z0.s， z1.s}， p0/z， ［x1］

6. 小結(jié)

本文簡單介紹了SVE架構(gòu)特性和指令基本用法，后續(xù)還會再寫文章介紹如何在C程序中利用SVE。

原文標題：一文了解SIMD指令集SVE（可伸縮矢量擴展），加速高性能計算

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