SVE架构特性和指令基本用法介绍

SVE（Scalable Vector Extension）是arm AArch64架构下的下一代SIMD指令集，旨在加速高性能计算，SVE引入了很多新的架构特点， 比如

• 可变矢量长度

• 每通道预测

• 聚集加载和分散存储

• 横向操作

本文将对SVE做个基本介绍。

1. SIMD指令发展史 intel vs arm

从上图我们可以看出，SIMD指令总体趋势是向着越来越长的方向发展的，到了arm SVE，最长可以支持2048位的矢量操作。

2. 背景

Armv7的高级SIMD （即arm NEON 或“MPE” 多媒体处理引擎） 指令集自2005年发布，已经面世十几年了。Armv7 NEON的主要特性如下：

• 支持8/16/32位整数操作，支持非IEEE兼容单精度浮点操作，支持指令条件执行

• 32个64位矢量寄存器，也可视为16个128位矢量寄存器

• 旨在CPU端加速多媒体处理任务

在升级到armv8架构时，AArch64 NEON指令集做出了许多改进，比如：

• 支持IEEE兼容单精度和双精度浮点操作和64位整数矢量操作

• 32个128位矢量寄存器

• 这些改进使NEON指令集更适用于通用计算，而不仅仅是多媒体计算

但是到了现在，armv8的新市场需要更彻底的SIMD指令改进。我们需要能够并行处理非常规数据和复杂数据结构，也需要更长的矢量，SVE因此而生，SVE旨在加速高性能计算。

3. SVE特性

SVE是armv8 AArch64架构的下一代SIMD指令集，它不是NEON的替代，而是聚焦于高性能计算。主要特性如下：

• 可变矢量长度

• 128位的整数倍。 最高可支持2048位

• 不同的实现可以适应不同的应用场景，不用更改指令集

• 每通道预测

• 支持复杂嵌套循环和if/then/else条件跳转， 没有循环尾数。

• 聚集加载和分散存储支持复杂数据结构，如步长数据存取、数组索引，链表等。

• 横向操作

• 支持基本的reduction操作，降低循环依赖性

4. SVE寄存器

SVE寄存器有两种：矢量寄存器和预测寄存器。

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。SVE支持8/16/32/64位整数操作和单精度/双精度浮点操作。

SVE预测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。每一个预测寄存器的位对应矢量寄存器的字节。假设SVE的矢量长度为256，预测寄存器在管理32位和64位操作时，其视图如下。在控制32位数据操作时，如果Pg寄存器的最低为1，则该通道操作为激活状态，该通道操作结果被正常存储到目的寄存器；如果Pg寄存器的最低为0，则该通道操作为未激活状态，该通道操作结果不会被存储到目的寄存器，目的寄存器的该通道数据有两种可能：

• 指令指定为Pg/z - 清零模式，该通道数据被清零。

• 指令指定为Pg/m – 合并模式，该通道数据保持原值

5. SVE指令实例

下面我们通过一些实例来介绍常用SVE指令的用法。

a. 矢量加法

大家也许都熟悉NEON的指令格式（如下），NEON指令通过对指令助记符添加“f”前缀来区分整数操作和浮点操作，如“add”和“fadd”；另外通过寄存器后缀“.2s”、“.4s”、“.2d”表示操作两个32位、四个32位数据、两个64位数据。

• add v0.4s， v0.4s， v1.4s

• fadd v0.2s， v0.2s， v1.2s

• fadd v0.2d， v0.2d， v1.2d

SVE指令也通过对指令助记符添加 “f” 前缀来区分整数操作和浮点操作。但是SVE是未知矢量长度编程，因此在指令中我们只需要指明操作数据类型就可以了。

• add z0.s， z0.s， z1.s

• fadd z0.s， z0.s， z1.s

• fadd z0.d， z0.d， z1.d

b. 矢量加载

对于加载指令，NEON指令通过助记符“ld1”、“ld2”表示加载一维数组、二维数组；通过寄存器后缀“.8h”、“.4s”表示加载八个16位、四个32位数据。

• ld1 {v0.8h}， ［x1］

• ld1 {v0.4s}， ［x1］

• ld2 {v0.4s， v1，4s}， ［x1］

SVE加载指令添加指令助记符后缀 “h“、”w“表示读取存储元素宽度；寄存器后缀”.h“、”.s“表示元素在寄存器中的宽度。寄存器元素宽度必须大于等于读取存储宽度。对于加载指令，读取元素可以通过符号扩展或者零扩展填充到矢量寄存器；对于存储指令，每个矢量元素被截断后存储到内存中。

• ld1h {z0.h}， p0/z， ［x1］

• ld1w {z0.s}， p0/z， ［x1］

• ld2w {z0.s， z1.s}， p0/z， ［x1］

6. 小结

本文简单介绍了SVE架构特性和指令基本用法，后续还会再写文章介绍如何在C程序中利用SVE。

原文标题：一文了解SIMD指令集SVE（可伸缩矢量扩展），加速高性能计算

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责任编辑：haq