harmony 鸿蒙使用Neon指令扩展

2023-10-30
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使用Neon指令扩展

ARM Neon是ARM架构的SIMD（Single Instruction Multiple Data）扩展实现，提供一条指令处理多个数据的并行处理能力。广泛用于多媒体编解码，2D/3D图形处理等领域，提高执行性能。

Neon扩展从ARMv7开始被采用，目前在Cortex-A7、Cortex-A12、Cortex-A15处理器中被设置为默认选项，但是在其余的ARMv7 Cortex-A系列中是可选项。具体技术细节可以参考《Introducing NEON Development Article》。

ARMv8a架构CPU默认集成Neon扩展，在AArch64与AArch32两种状态下都支持，详细可以参考ARM官方文档《Learn the architecture - Introducing Neon》。

OpenHarmony架构支持情况

在OpenHarmony系统中，arm64-v8a ABI下默认已经开启了Neon扩展的支持；在armeabi-v7a ABI下，为了能够尽可能的支持ARMv7a架构的设备，默认没有开启Neon扩展。

在OpenHarmony SDK的llvm工具链中为armeabi-v7a ABI提供了多种配置的预编译运行时库的支持，供开发者根据不同的配置进行选择。具体目录结构如下，native-root表示C API所在的native包解压根目录。

{native-root}/llvm/lib/clang/current/lib/arm-linux-ohos/
  |-- a7_hard_neon-vfpv4
  |    |-- clang_rt.crtbegin.o
  |    |-- clang_rt.crtend.o
  |    |-- ...
  |
  |-- a7_soft
  |    |-- clang_rt.crtbegin.o
  |    |-- clang_rt.crtend.o
  |    |-- ...
  |
  |-- a7_softfp_neon-vfpv4
          |-- clang_rt.crtbegin.o
          |-- clang_rt.crtend.o
          |-- ...

其中 hard、soft、softfp是float-abi，未指定默认采用softfp；neon-vfpv4就是-mfpu指定的参数类型，llvm工具链根据相应编译参数选择依赖不同架构配置的二进制库。

如何使用

使用Neon扩展的主要通过如下几种方式： 1. 使用llvm的Auto-Vectorization特性，由编译器来生成对应指令，默认开启，可以通过-fno-vectorize关闭，具体参考《Auto-Vectorization in LLVM》。 2. 使用Neon intrinsics库，方便开发者直接操作低阶Neon指令。 3. 手工写Neon汇编指令。

详细可以参考《Arm Neon 架构》。

举例说明

下面举例说明在一个armeabi-v7a OpenHarmony C++工程中如何使用Neon intrinsics。 1. 使用Neon intrinsics需要在源码包含arm_neon.h头文件，由于这个特性是与CPU架构强相关的，在包含这个头文件的时候，最好用cpu features等宏括起来。

#include "cpu_features_macros.h"

void call_neon_intrinsics(short *output, const short* input, const short* kernel, int width, int kernelSize)
{
   int nn, offset = -kernelSize/2;

   for (nn = 0; nn < width; nn++)
   {
        int mm, sum = 0;
        int32x4_t sum_vec = vdupq_n_s32(0); // Neon指令函数
        for(mm = 0; mm < kernelSize/4; mm++)
        {
            int16x4_t  kernel_vec = vld1_s16(kernel + mm*4);
            int16x4_t  input_vec = vld1_s16(input + (nn+offset+mm*4));
            sum_vec = vmlal_s16(sum_vec, kernel_vec, input_vec);
        }
        ...
   }
   ...
}

在这个函数实现的地方，根据CPU特性调用对应的实现函数。 “` c void Compute(void) { #if defined (CPU_FEATURES_ARCH_ARM) static const ArmFeatures features = GetArmInfo().features;

// 根据features的字段进行支持cpu features的特性判断 if (features.neon) { // Run optimized code. } else { // call normal function writed in c } #endif }


3. 在CMakeLists.txt文件中加上对应选项。
``` makefile
if (${OHOS_ARCH} STREQUAL "armeabi-v7a")
    set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -mfpu=neon -mfloat-abi=softfp")
endif ()

通过以上几步，开发者就可以在工程中使用Neon intrinsics指令了。