【ARMv8/ARMv9 硬件加速系列 3 -- SVE 硬件加速向量运算 1】

文章目录

- SVE 使用介绍
- - SVE 特点
  - SVE2 特点
- SVE 寄存器
- - 扩展的向量寄存器
  - 可扩展的谓词寄存器
  - - .d 与 .b 后缀的区别
    - 举例介绍
    - - 使用 .d 后缀进行64位元素操作
      - 使用 .b 后缀进行8位元素操作
    - ptrue 指令
    - - 小结
  - FFR 寄存器

SVE 使用介绍

ARMv9架构中的SVE（Scalable Vector Extension）和SVE2（Scalable Vector Extension 2）是为了增强处理器在处理高性能计算、机器学习、人工智能等领域的性能而设计的关键技术。它们提供了一种可伸缩的向量处理能力，允许更高效地对大量数据进行并行处理。

SVE 特点

SVE是在ARMv8-A架构中首次引入的一种向量扩展，旨在提供一种比传统SIMD（如ARM自己的NEON技术）更灵活的方式来处理向量计算。SVE的关键特性包括：

可伸缩的向量长度：SVE支持从128位到2048位的可伸缩向量长度，向量长度可以根据目标处理器的具体实现而变化。这种可伸缩性允许SVE代码在不同的ARM处理器上运行，而不需要为每个处理器重写代码。
谓词执行：通过谓词寄存器，SVE支持掩码执行，允许对向量中的每个元素独立地进行条件执行。这提高了代码的灵活性和效率。
向量化循环：SVE专门优化了向量化循环的执行，使得循环能够更高效地利用向量化指令。

SVE2 特点

SVE2是SVE的扩展，随ARMv8.2-A及后续版本提供，进一步增强了SVE的能力，特别是针对复杂的数据处理模式。SVE2的新增特性包括：

增强的整数和浮点运算：SVE2引入了更多的整数和浮点向量指令，支持更广泛的数据处理需求。
复杂的数据重排操作：SVE2提供了丰富的数据重排（permutation）和交错（interleaving）操作，这对于实现复杂的算法（如加密算法）非常有用。
增强的字符和字符串处理：为了支持更高效的文本和数据处理，SVE2加入了针对字符和字符串操作的指令。
兼容性：SVE2设计为与SVE向后兼容，意味着能够执行SVE指令的处理器同样能够执行SVE2指令。

在高性能计算和人工智能领域，可以利用SVE和SVE2的强大能力来加速计算密集型任务。例如，使用SVE/SVE2进行矩阵乘法运算可以大幅提升深度学习模型训练和推理的速度。通过利用可伸缩的向量长度和谓词执行，开发者可以编写出既高效又灵活的代码，适配不同的硬件实现，以最大化性能和资源利用率。
总之，SVE和SVE2通过提供可伸缩的向量长度和一系列高级向量处理指令，大大增强了ARM架构在高性能计算、机器学习和人工智能应用中的竞争力。

SVE 寄存器

SVE寄存器有4种：

32个可扩展的向量寄存器，Z0-Z31;
16个可扩展的谓词寄存器，P0-P15;
一个First Fault 谓词寄存器（FFR）;
可扩展的向量系统控制寄存器ZCR_Elx。

扩展的向量寄存器

SVE共有32个可变长矢量寄存器Z0-Z31(128位的整数倍, 最高可达2048位) ，其中Z0-Z31的低128位[127:0]，与AArch64 SIMD&FP寄存器V0-V31共享硬件资源。假设SVE的矢量长度为256，其矢量寄存器视图如下:
在这里插入图片描述

可以支持64bits，32bits，16bits 和 8 bits 的元素；
支持整型以及双精度，单精度和半精度浮点元素；
可配置每个异常级别 (EL) 的向量长度。
.d后缀：表示操作的数据类型为双字（64位）。当你使用.d后缀（如p0.d）时，这表示谓词寄存器中的每一位控制向量寄存器中对应的64位数据元素。通常用于精细控制对64位数据元素的操作。
.b后缀：表示操作的数据类型为字节（8位）。使用.b后缀（如p0.b）时，每一位控制向量寄存器中对应的8位数据元素。这允许对向量寄存器中的单个字节进行更细粒度的控制。

可扩展的谓词寄存器

SVE 谓词寄存器用于控制每通道操作，有16个可变长预测寄存器P0-P15，向量寄存器用于存储实际的数据，而谓词寄存器用于控制向量指令的条件执行。假设SVE的矢量长度为256，谓词寄存器在管理32位和64位操作时，其视图如下:
在这里插入图片描述
谓词寄存器通常被用作对数据操作的 bit mask：

每个谓词寄存器是Zx（可扩展向量寄存器）的 1 / 8
P0-P7是控制加载、存储和算术的谓词。
P8-P15是用于循环管理的额外的谓词。

SVE引入了谓词寄存器（如p0到p15），这些寄存器用于控制向量操作的执行。谓词寄存器中的每一位对应向量寄存器中的一个元素，指示该元素是否应该参与到特定的向量操作中。

当谓词寄存器位为 1 时，相应的向量操作会在对应的元素上执行；
当谓词寄存器位为 0 时，相应的元素不会被操作。

接下来将介绍 .d与.b后缀在谓词寄存器使用中的区别，并通过例子进行说明。

.d 与 .b 后缀的区别

.d后缀：表示操作的数据类型为双字（64位）。当你使用.d后缀（如p0.d）时，这表示谓词寄存器中的每一位控制向量寄存器中对应的64位数据元素。通常用于精细控制对64位数据元素的操作。
.b后缀：表示操作的数据类型为字节（8位）。使用.b后缀（如p0.b）时，每一位控制向量寄存器中对应的8位数据元素。这允许对向量寄存器中的单个字节进行更细粒度的控制。

举例介绍

假设我们现在有一个需求，对两个向量z0和z1中的数据进行条件性处理，分别涉及对64位（双字）和8位（字节）元素的操作。

使用 .d 后缀进行64位元素操作

// 设置p0，使其对64位元素全开
ptrue p0.d// 假设z0和z1是两个64位元素的向量
// 使用p0控制的条件加法，只有在p0对应位为真时，z0和z1中对应的64位元素才会相加
add z2.d, p0/m, z0.d, z1.d

在这个例子中，ptrue p0.d指令设置p0中的每一位都为真，表示每一个64位的元素都应该参与下一条add指令的执行。这样，z0和z1中的对应64位元素被相加，结果存储在z2中。

使用 .b 后缀进行8位元素操作

// 设置p1，使其对8位元素全开
ptrue p1.b// 假定z3和z4是包含8位元素的向量
// 使用p1控制的条件加法，只有在p1对应位为真时，z3和z4中对应的8位元素才会相加
add z5.b, p1/m, z3.b, z4.b

在这个例子中，ptrue p1.b指令设置p1中的每一位都为真，意味着每个8位的元素都参与下一条add指令的执行。这样，z3和z4中的对应8位元素被相加，结果存储在z5中。

ptrue 指令

ptrue 指令用于将谓词寄存器中的元素设置为真（TRUE），指示后续的向量操作应该在所有元素上执行。
例如，ptrue p0.b 将 p0 寄存器中所有的位设置为真，.b 表示操作的最小数据单元是 byte。

小结

.d和.b后缀在谓词寄存器使用中代表了操作的数据类型（分别是64位和8位），这允许开发者根据需要对向量寄存器中的数据进行精细的控制。通过使用不同的后缀，可以实现对不同数据大小元素的条件处理，使SVE在处理向量数据时更加灵活和强大。

FFR 寄存器

First Fault Register (FFR) 是一个特殊的谓词寄存器，由 first-fault 加载和存储指令设置，用于指示每个元素的加载和存储操作的成功程度。 FFR 旨在支持推测性内存访问，这使得向量化在许多情况下更容易和更安全。

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