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LLVM 中的 ARM 高级 SIMD (NEON) 内建函数和类型

LLVM 现在支持 ARM 为高级 SIMD（又名“NEON”）指令集定义的所有内建函数，但如果您正在从 GCC 迁移到 LLVM，可能会遇到一些实现差异。LLVM 比 GCC 更密切地遵循 ARM 对标准 NEON 类型的规范。它在检查 NEON 内建函数参数类型方面也更加严格。


这篇文章介绍了 LLVM 和 GCC 之间与 NEON 相关的差异，并提供了一些关于如何调整您的代码以与 LLVM 一起工作的示例。



背景


NEON 是 ARM 架构的矢量处理扩展。它包含在大多数最新的 ARM 处理器中，例如 Cortex A8 和 A9。一些 NEON 指令执行的操作在 C 或 C++ 中难以指定，因此 ARM 为这些操作定义了一套标准的内建函数。例如，vqadd_s16 内建函数执行两个 64 位矢量的饱和加法，其元素为 16 位有符号整数。ARM 还定义了一套标准的 NEON 矢量类型，用于与这些内建函数一起使用。例如，vqadd_s16 内建函数的参数和返回值的类型为 int16x4_t。这些内建函数和类型在 <arm_neon.h> 头文件中声明，该文件由编译器提供。


这些 NEON 内建函数至少存在两个先前的实现。ARM 的 RealView Compilation Tools (RVCT) 编译器提供了完整的一套内建函数，并且毫不奇怪，RVCT 严格遵循 ARM 的规范。GCC 也实现了 NEON 内建函数，但它在某些方面与 RVCT 和 ARM 的规范有所不同（至少在 llvm-gcc 源自的 4.2.1 版本中是这样的）。


LLVM 中 NEON 内建函数的当前状态是，llvm-gcc 完全支持它们，尽管无疑还有进一步提高性能的空间。Clang 还不支持 NEON。欢迎提交补丁！


不同的类型


ARM 将 NEON 矢量类型定义为不透明的“容器化矢量”。这些类型在 <arm_neon.h> 中定义为 C 结构体。用户可见的类型名称是对这些内部结构体的 typedef。例如，4 个浮点数的矢量类型定义为

  typedef struct __simd128_float32_t float32x4_t;

内部结构体的內容没有指定，因此您对这些类型的唯一可移植操作是将它们传递给 NEON 内建函数。


GCC 具有自己的语法来指定矢量类型。这种语法不是特定于 NEON 的。矢量类型通过添加一个带有字节总大小的 "__vector_size__" 属性来定义。例如

  typedef float float32x4_t __attribute__ ((__vector_size__ (16)));

GCC 的标准 NEON 类型实现使用它自己的矢量语法，而不是使用不透明的容器化矢量。


那么 LLVM 呢？我们折衷，两者都做！NEON 类型在 <arm_neon.h> 中定义为结构体，遵循 ARM 的规范，但这些结构体的內容是使用 GCC 语法定义的矢量。每个内部结构体都包含一个名为“val”的单个元素，该元素具有 GCC 矢量类型。GCC 矢量类型使用 "__neon_" 前缀定义为标准 NEON 类型名称。因此，如果您想直接访问 GCC 矢量类型，您可以使用 LLVM。该代码将不可移植——它无法与 RVCT 一起使用——但这可能会简化从 GCC 的过渡。


这种 NEON 类型差异有什么影响？主要区别在于，LLVM NEON 类型是聚合类型，而不是标量类型，因此您无法执行诸如将它们强制转换为整型类型之类的操作。您也不能使用“asm”寄存器属性将 NEON 变量分配到特定 NEON 寄存器，因为这在聚合类型中不受支持。请参阅以下关于您初始化矢量方式的相关差异。


更严格的类型检查


LLVM 的 NEON 内建函数的参数比 GCC 的参数受到更严格的类型检查。只要总大小保持不变，并且您不混合整数和浮点数矢量，GCC 的矢量类型就可以强制转换为其他矢量类型。GCC 的 NEON 内建函数的参数也会受到相同处理。您可以为 int32x2_t 参数传递一个 uint8x8_t 值，而 GCC 甚至不会发出警告。LLVM 要求参数类型完全匹配。如果您的代码在矢量类型方面比较随意，您需要清理它才能使用 LLVM 编译。


如果您确实要强制转换 NEON 矢量类型，正确的方法是使用 vreinterpret 内建函数。例如，vreinterpret_s32_u8 将执行上面提到的从 uint8x8_t 到 int32x2_t 的强制转换。


如何初始化矢量？


GCC 的矢量类型可以直接分配一个花括号括起来的值列表，该列表对应于矢量元素。例如

  int32x2_t vec = { 1, 2 };

初始化一个元素值为 1 和 2 的矢量。这很方便，但不可移植。通常，为矢量分配值的最优方法是从内存中使用 NEON 内建函数加载它。这完全是可移植的，并且通常与其他方法一样快或更快。


有些特殊情况，您可以做得更好。如果所有矢量元素都具有相同的值，则使用 vdup 内建函数之一将是一个不错的解决方案。您可以使用 vcreate 内建函数从 64 位值构建矢量，并且 vcombine 内建函数可以将两个这样的矢量组合在一起形成一个 128 位矢量。但是，将值从通用 ARM 寄存器移动到 NEON 寄存器文件可能非常慢，因此这可能比加载快。如果矢量元素是浮点数，那么它们可能已经位于正确的寄存器文件中，使用 vset_lane 内建函数将它们组合在一起形成一个矢量可能更快。为这些不同情况生成最快的代码是一项正在进行的工作，因此您可能需要尝试不同的方法，以查看哪种方法最快。