DSP 学习笔记 |（五）HiFi 4 User's Guide 笔记

Last updated on April 30, 2023 am

本文笔记整理摘自《HiFi4 DSP User’s Guide》。

先导阅读手册：

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一、 HiFi 4 概述

  • Cadence HiFi ：Cadence Tensilica HiFi DSP 架构，用于音频解码
  • Tensilica：嵌入式处理器公司，已被芯片 EDA 巨头 Cadence 收购
  • Xtensa：DSP 处理器核心，也是该系列的型号名称，也是该处理器中指令集架构的名称
  • HiFi：特指 32 位音频/语音处理数字信号处理 (DSP) 核，基于 Xtensa® 架构

1.1 HiFi 4 特点

HiFi 4 DSP 是一个高性能的嵌入式数字信号处理器，专门为音频和语音处理进行了优化。

HiFi 4 DSP 由三个主要部件组成：

  1. 一个 DSP 子系统；
  2. 一个可选的单精度浮点单元；
  3. 一个协助比特流访问和变长（Huffman）编解码的子系统。

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  • HiFi 4 DSP 是一个 VLIW 架构，支持并行执行四个操作。
  • DSP 的读取、比特流和 Huffman 操作以及核心操作都可以在 VLIW 指令的 0 槽和 1 中，存储仅在槽 0 中可用。DSP MAC、ALU 和可选的浮点操作通常在槽 2 和槽 3 中进行。
  • HiFi 4 DSP 是建立在 Xtensa RISC 架构的基础上，它实现了丰富的通用标量指令集，为高效的嵌入式处理进行了优化。
  • 由 Cadence 提供的音频包不使用 DMA。因此，大多数客户要么使用缓存，要么使本地存储器足够大以覆盖所需的应用。

1.2 寄存器

AE_DR 寄存器

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  • HiFi 4 DSP 包含一个 16 进制 64 位寄存器 AE _ DR。

  • 当寄存器被存储到内存中时，寄存器的较高一半总是存储在较低的内存地址中，并从较低的内存地址加载。寄存器的单独的一半或四分之一始终是单独的数据项。 例如，如果将 32 位元素向左移动，则 L 元素不会溢出到高位元素中

AE_EP 寄存器

  • HiFi 4 DSP 支持一个 4 进制、8 位的额外精度寄存器 AE_EP。
  • 该寄存器的访问时间比 AE_D R寄存器晚一个周期。

AE_VALIGN 寄存器

  • HiFi 4 DSP 支持一个 4 进制、64 位的对齐寄存器 AE_VALIGN。
  • 使用这个寄存器允许硬件以每周期 64 位的速度加载或存储非 64 位对齐的 SIMD 流位/周期。
  • 对齐的加载和存储只存在于槽0中，所以不可能同时发出这些指令。

1.3 操作助记符

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1.4 定点数及其运算

一个定点数的数据类型 m.n 包含一个符号位，在小数点的左边有m-1位，在小数点的右边有n位。

当表示为一个二进制的时候，最不重要的 n 位是小数部分，最重要的 m 位是整数部分。

1.5 VLIW 槽及格式

HiFi 4 DSP 可以在一个 88 位的指令束中发出 4 个操作，或在一个 48 位的指令束中发出 2 个操作。使用 Xtensa LX FLIX (VLIW) 技术，HiFi 4 DSP 支持几种不同的格式，有不同的插槽限制。每条指令都属于一种格式，但不同的格式可以在一条指令中打包不同数量的操作。

  • 第一个插槽支持标量与矢量的 读取与写入，以及 标量 Xtensa 操作；
  • 第二个插槽支持标量与矢量的 读取与写入，以及 矢量 Xtensa 操作；
  • 最后两个插槽主要支持 矢量逻辑运算 与 矢量乘法运算。

对于可选择的浮点单元来说，大多数浮点操作都可在 slot 3 和 slot 4 中进行。

在优化 HiFi 4 DSP 代码中理解开槽的概念是十分重要的。循环通常受到只能进入一个或另一个槽的操作的限制。例如，每个周期不可能发出一个以上的（可能的SIMD）存储。如果一个循环被一个槽中的操作所限制，那么试图优化另一个槽中的操作就没有意义了。

二、DSP 编程

  • HiFi 4 DSP 每个周期提供四个 MAC。 它提供对整数和小数运算的等效支持。
  • 不利用 SIMD 的应用程序的运行速度将比利用 SIMD 的应用程序慢 4 倍。
  • 对于 24 位和 32x16 位的应用程序，编译器不会自动矢量化。应用程序编写器必须使用显示矢量数据类型或内部函数来编写代码。

2.1 数据类型

  • HiFi 4 DSP 支持 16、24、32 以及 64 位的数据类型。所有类型都包含整数与分数版本。

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2.2 编码与解码

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2.3 基于内嵌函数编程

每条 HiFi 4 DSP 指令都可以通过一个相同名称的内部函数直接访问，除了 “.” 需要全部变成 “_”。

三、HiFi 4 指令集

  • 对于矢量读取和写入，内存中的高位地址总是存储在寄存器中的最小有效位。

  • HiFi 4 DSP 还支持两个圆形缓冲区，可用于对齐或不对齐的数据。

  • 虽然向量变量不需要被对齐到 64位，但它们仍然必须根据每个标量元素的要求进行对齐，例如32位的向量的 ints。

  • AE_LA64.PP 是一个特殊的初始化指令，这条指令将数据从数据流的起点加载到对齐寄存器中。对齐指令工作的具体细节与程序员无关。只要调用 AE_LA64_PP 引导内在的第一个要加载的地址（不管是否对齐），然后用适当的对齐加载继续加载。

  • 大多数读取和写入操作的助记符包含一个尺寸，表示操作符的大小；

  • 大多数加载和存储操作的助记符包含一个后缀，表示如何计算有效地址以及是否更新基址寄存器。

  • 定点数 1.31, 是指令里面操作的数据类型，int 之后，还有按照指令规范的类型来转换。

    int = 2, 在经过 1.31 后，二进制，000….10（32位）。如果是负数，第一位是符号位，补码形式。

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3.1 读取与写入操作

  • load 是将内存里面的值读取到寄存器（CPU 内部的存储单元）。如果都是放在寄存器的，寄存器哪有那么多地方给你存东西？

  • store 是将寄存器里面的值写入到内存。

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//将数组a的值赋值给数字b，分别使用load和store指令

int main(int argc, char ** argv)
{
	// 初始化数据
	short a[4] = {1, 2, 3, 4};
	short b[4];
	ae_int16x4 *ap = (ae_int16x4 *) &a[0];
	ae_int16x4 *bp = (ae_int16x4 *) &b[0];
	ae_int16x4 src;
	// load：先读取内存中的值到寄存器
	AE_L16X4_IP(src, ap, 8);
	// store: 将数组a中的值存到数组b中
	//AE_SA16x4_IP (src, ae_valign u, *ap);
	AE_S16X4_IP(src, bp, 8);

	for(int i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d\n", a[i]);
		printf("%d\n", b[i]);
	}
	return 0;
}

3.2 乘积累加操作

乘积累加运算 （ 英语：Multiply Accumulate, MAC,）。

乘法 multiplication、加法 adder、周期 cycle 就是 mac，乘加器，表示一个周期完成一次乘法和加法运算。DSP 的重要性能指标。DSP 的主要工作就是大量的乘加器运算。

DSP 一个机器指令周期能实现乘加运算，这是 DSP 的精髓。 实现这个运算的内核就是 MAC。

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MAC:

两个和四个 MAC 操作有两种形式——双 MAC 取两个 MAC 的结果，并将它们加或减，如下示例所示。

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acc = acc – d0.L*d1.L + d0.H*d1.H

MACs:
SIMD MACs 不结合不同乘数的结果。相反，它们对数据的不同部分执行示例乘法操作，如下示例所示。

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acc.h = acc.h – d0.h*d1.h
acc.l = acc.l – d0.l*d1.l

高位和低位各算各的，SIMD MACs 将其结果打包为 32 位或 16 位，因此在其名称中使用 P。通过同时添加或减去两个乘法结果，双 MAC 指令能够保持它们的累积精度，而不需要写入多个输出寄存器。

  • 在单乘法和 SIMD 乘法运算中，每个乘法/累加操作系列都有一个仅乘法变体，即乘法/加法变体和乘法/减法变体，通过将 accum_type 设置为空、A 或 S 来表示分别。
  • 使用 MUL 变体，累加器内容会被以下结果覆盖乘法。 使用 MULA 变体，乘法的结果被添加到累加器内容并写回累加器。 使用 MULS 变体，结果从累加器的内容中减去乘法的值并写回累加器。
  • accum_type 以 Z 开头的双 MAC 操作是对零进行累加的。换句话说，累积器的初始内容被丢弃。那些没有 Z的操作则是针对累加器的初始内容进行累加。在可选的 Z 后面，有两个字母表示加法或减法，两个乘法结果各一个。
  • 小数乘法指令在 accum_type 后面有一个 F。

对称 & 非对称四舍五入

  • 整数 SIMD 乘法指令扔掉了其结果的高位，就像标准的 C/C++乘法。小数 SIMD 乘法指令使用对称或不对称的四舍五入方法，将低位舍去。
  • 在非对称四舍五入的情况下，两半被向上舍入，即 0.5 倍的最小有效结果位被舍入为 1.0，-0.5 倍的最小有效结果位被舍入为 1.0。即 0.5 倍的最小有效结果位被向上舍入为 1.0，-0.5 倍的最小有效结果位被向上舍入为 0。
  • 在对称四舍五入的情况下，两个半数从零开始四舍五入，即 -0.5 倍的最小有效结果位四舍五入到 -1.0。
  • 在指令描述中，对称舍入被称为 round，而非对称舍入被称为 round+∞。

饱和 & 非饱和乘法

​ 执行操作时，某个中间变量的值的范围大于了最终结果的值的类型范围。

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eg. 
（中间变量值）int32 int 129
（最终值）int8 char (范围：-128 - 127)
 此时最终值就会溢出，变成 -127，此时与实际值相差很远了。
 
饱和：先做一个判断
 if(int > 128)
     int = 128;
 这样就避免了最后结果会相差很大。
  • 没有保护位的小数 MAC 运算，1.31x1.31 到 1.63 或 1.31，1.31x1.15 到 1.31 和 1.15x1.15 到 1.15 或 1.31，使它们的结果饱和。 所有其他 MAC 操作都是完整的或具有保护位且不会饱和。
  • 饱和乘法有一个 S 跟在大小或四舍五入的名称后面。
  • 一些 16x16 位乘法器被设计为与 ITU-T/ETSI 内在函数，因此串联进行多次饱和。 这些指令的名称中有 SS。

其他

  • 无符号乘以无符号的乘法，在其前面有一个 U。无符号乘以有符号 的乘法，在指定符前有一个 US。利用 AE_EP 寄存器文件产生 72 位累加器的乘法运算，在指令前有一个 EP。
  • 所有 MAC 操作都出现在第三个或第四个插槽中。 出现在第三个插槽中的任何乘法运算都将具有后缀 _S2。 C/C++ 程序员可以忽略后缀。 编译器会在需要时自动将普通乘法转换为 _S2 乘法。

3.3 加、减与比较操作

Add, Subtract and Compare Operations

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3.4 移位操作

Shift Operations 移位操作

所有移位操作都以前缀 AE_S 开始。下面的字母是 L 或 R，表示主要移位方向是左还是右。下一个字母是 L或 A，表示是逻辑移位（在右移时填入0）还是算术移位（在右移时符号扩展）。下一个字母 I 表示立即移位，A 表示 AR 移位，S 表示 AE_SAR 移位。后面是一个数字，表示被移位的元素的大小，还有一个可选的R表示右移位而不是截断的右移，以及一个可选的 S 表示饱和的左移。

3.5 归一化操作

3.6 Divide Step 操作

3.7 截断操作

Truncate Operations

AE_TRUNC16X4F32 Operation

3.8 移动操作

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四、 HiFi 4 备忘录

4.1 HiFi 4 的头文件

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#include <xtensa/tie/xt_hifi4.h>
#include <xtensa/hal.h>
#include <xtensa/xtruntime.h>
Study Pie
#DSP #HiFi
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Author
Eren
Posted on
July 24, 2022
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