ARM處理器NEON編程及優(yōu)化技巧—左移右移等移位操作

移位向量

NEON中的移位指令和ARM指令中的標(biāo)量移位，把向量中的各個(gè)元素左移或者右移若干比特。那些移到臨近元素的比特會(huì)被丟棄掉，不會(huì)影響到鄰近元素的移位結(jié)果。移位操作的移位數(shù)可以直接編碼到指令里，或者用 一個(gè)指定的移位比特向量，如果使用移位向量，每一個(gè)元素的移位比特值將取決于對應(yīng)的移位向量里存儲(chǔ)的值，移位向量里保存的移位值是有符號的，所以可能進(jìn)行左移，右移或者不移位的操作。

圖1. 帶移位向量的左移操作，可以左移、右移或者不移位

有符號數(shù)據(jù)的右移操作的類型可以根據(jù)指令來制定，如是否進(jìn)行符號擴(kuò)展（算術(shù)右移還是邏輯右移），這對應(yīng)于ARM指令里的移位操作。對于無符號的右移而言，就不用進(jìn)行符號擴(kuò)展了。

移位并右側(cè)插入

NEON還支持帶插入的移位，即進(jìn)行兩個(gè)向量的比特位域的組合。比如VLSI指令左移并插入，會(huì)把向量進(jìn)行左移，然后用 目標(biāo)向量的右側(cè)數(shù)據(jù)來填充。如下圖所示：

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圖2. 向量移位并填充結(jié)果向量

移位并累加

NEON支持把向量的各個(gè)元素右移然后累加結(jié)果到另外一個(gè)向量。這對于那些中間結(jié)果需要更高精度的情況非常適用，然后才把 結(jié)果保存到一個(gè)低精度的累加器里。

指令修改符

每個(gè)移位指令都能包含一個(gè)或者多個(gè)修改符，這些修改符不會(huì)改變移位操作本身，但是輸入和輸出結(jié)果會(huì)去除基準(zhǔn)或者飽和到一個(gè)有效范圍，有5種移位限定符：

• 舍入（round），使用R前綴，用于糾正右移截?cái)鄬?dǎo)致的基準(zhǔn)；
• 變窄（narrow），使用N前綴，表示向量中所有元素的位寬變窄為一半，即源是128-bit的Q寄存器，而結(jié)果是64-bit的D寄存器；
• 變長（long），使用L前綴，表示向量中所有元素的位寬變寬為兩倍，即源是64-bit的D寄存器，而結(jié)果是128-bit的Q寄存器；
• 飽和（saturate），使用Q前綴，把結(jié)果元素變成其能表示的最大和最小值范圍內(nèi)，位寬比特?cái)?shù)和符號類型來表明該元素的有效范圍；
• 無符號的飽和（Unsigned Saturating），使用Q前綴，U后綴，類似于飽和限定符，但結(jié)果會(huì)飽和到無符號數(shù)據(jù)范圍，不管輸入是有符號還是無符號的；

這些限定符的有些組合起來不能描述有用的操作，因而NEON并不包含這些指令。比如類似VQSHR的飽和右移并不需要，因?yàn)橛乙茣?huì)讓數(shù)據(jù)變小，不會(huì)超過有效范圍。

有效的移位操作表格

所有NEON支持的移位指令如下表所示，他們按照上面提到的限定符排列。

圖3. NEON支持的移位操作，用立即數(shù)表示的移位數(shù)和用寄存器表示的

色深轉(zhuǎn)換的例子

色深轉(zhuǎn)換是圖像處理中經(jīng)常用到的。通常輸入數(shù)據(jù)是RGB565 16-bit色度格式，需要轉(zhuǎn)換成RGB888格式才更適合于NEON這種并行處理。 然而NEON還是能處理RGB565的數(shù)據(jù)的，這就需要用到前面提到的移位指令了。

圖4. RGB888和RGB565的色度格式

從RGB565到RGB888

首先看如何從RGB565轉(zhuǎn)換成RGB888，假設(shè)輸入的8個(gè)16-bit的像素保存到寄存器Q0，我們想把分量分離成R通道，G通道和B通道，保存到d2到d4寄存器。

vshr.u8      q1, q0, #3     @ 把R通道右移3比特，丟棄G通道比特 

vshrn.i16    d2, q1, #5     @ 右移并變窄，取得R分量數(shù)據(jù)到d2寄存器 

vshrn.i16    d3, q0, #5     @ 右移并變窄取得G分量數(shù)據(jù) 

vshl.i8      d3, d3, #2     @ 左移G分量2個(gè)比特，丟棄R分量部分，同時(shí)把G分量保存到正確的位置； 

vshl.i16 q0, q0, #3     @ 把B分量左移到最重要的8-bit數(shù)據(jù) 

vmovn.i16    d4, q0         @ 丟地仍然有的R和G分量，保存B分量為8-bit 

這些指令的含義可以參考注釋處，基本上完成的操作就是去除臨近通道的不用的色度數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)移位把色度分量的值到最高位。

一個(gè)小問題

你可能注意到，這樣轉(zhuǎn)換成RGB888格式后，原來的白就不是完全的白色了，這是因?yàn)镽和B分量是左移3bit，而G分量則只左移兩bit，因而如RGB565值(0x1F, 0x3F, 0x1F)變成RGB888 (0xF8, 0xFC, 0xF8)，并不跟以前的表示顏色一致。

從RGB888到RGB565

從RGB888轉(zhuǎn)換成RGB565，假設(shè)RGB888的輸入是用上面代碼表示的形式，單獨(dú)通道的分量保存在從寄存器d0到d2，結(jié)果保存到16-bit的RGB565格式到q2寄存器。

vshll.u8 q2, d0, #8     @ 左移紅色分量到16bit結(jié)果中的最重要的5bit 

vshll.u8 q3, d1, #8     @ 左移綠色分量數(shù)據(jù)到16bit最重要的8比特 

vsri.16      q2, q3, #5    @ 移位綠色分量，并插入到紅色元素寄存器里。 

vshll.u8 q3, d2, #8     @ 左移紅色分量到16bit結(jié)果中的最重要的8-bit 

vsri.16      q2, q3, #11   @ 把藍(lán)色分量插入到紅色和綠色分量后面 

基本操作是把分量擴(kuò)展成16-bit，然后右移插入指令把分量放到合適的位置；

總結(jié)

NEON提供了功能強(qiáng)大的移位指令，能完成：

• 快速的把數(shù)據(jù)乘以或者除以2，并帶有舍入和飽和操作；
• 移位并拷貝若干比特從一個(gè) 向量到另一個(gè)向量；
• 中間計(jì)算結(jié)果在高精度，而把結(jié)果累加到低精度。