Cortex-M4和Cortex-M7中的SIMD指令

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SIMD指令简介

单指令多数据流，即SIMD（Single Instruction， Multiple Data）指一类能够在单个指令周期内同时处理多个数据元素的指令集，利用的是数据级并行来提高运行效率。

不同处理器架构所支持的SIMD指令集各不相同，比如嵌入式处理器ARM Cortex-A系列中支持NEON指令集。而我们常用的ARM Cortex-M系列单片机则使用了ARMv6-M/ARMv7-M架构，指令集较为简化，不支持NEON。其中Cortex-M4和Cortex-M7所使用的指令集也被称为ARMv7E-M，支持部分SIMD指令。对于Cortex-A系列来说，其指令集向下包含，即许多Cortex-M中的SIMD指令，也能够在Cortex-A中使用。

SIMD指令集的最初设计目标就是为了提高多媒体应用的性能（图像相关运算），因为图像数据的像素点都是8位数据，而CPU寄存器通常是32位以上的，因此一条指令只用于计算一个像素点不免显得非常浪费。在32位处理器上，可以用SIMD指令一次性计算4个8位数据，极大地提升了运算效率。

直接使用C语言编写的程序，编译器是不会自动翻译成SIMD指令的。因此为了在嵌入式处理器如单片机上提升图像数据运算速度，需要专门使用SIMD指令进行优化。得益于SIMD指令加速，我们能够在STM32F4上实现简单的光流算法，有兴趣的可以看一下PX4Flow的算法部分。为了能够在优化图像算法，使其能以较快速度运行于嵌入式平台，熟悉掌握SIMD指令是非常有必要的，下面列出一些可以在Cortex-M4和Cortex-M7上使用的SIMD指令（不全面，忽略了部分16位操作数指令），Cortex-A系列处理器基本上都兼容这些指令，当然在那上面还有强大的NEON指令集可以使用。

在STM32的库文件core_cm4_simd.h中可以看到所有SIMD指令的宏定义

部分SIMD指令说明

饱和加法： a+b=c，当计算结果大于c可表示的最大值或者小于c可表示的最小值时，计算结果取值为这个最大值或最小值。

非饱和加法： a+b=c，如果计算结果一出，则直接去掉一出位，剩下的就是结果。

• __USAD8
  指令说明：无符号值的差的绝对值求和
  指令定义：uint32_t __USAD8 (uint32_t val1, uint32_t val2)
  指令操作：

absdiff1  = val1[7:0]   - val2[7:0]
absdiff2  = val1[15:8]  - val2[15:8]
absdiff3  = val1[23:16] - val2[23:16]
absdiff4  = val1[31:24] - val2[31:24]
res[31:0] = absdiff1 + absdiff2 + absdiff3 + absdiff4

• __USADA8
  指令说明：无符号值的差的绝对值求和累加
  指令定义：uint32_t __USADA8 (uint32_t val1, uint32_t val2, uint32_t val3)
  指令操作：

absdiff1  = val1[7:0]   - val2[7:0]
absdiff2  = val1[15:8]  - val2[15:8]
absdiff3  = val1[23:16] - val2[23:16]
absdiff4  = val1[31:24] - val2[31:24]
sum       = absdiff1 + absdiff2 + absdiff3 + absdiff4
res[31:0] = sum[31:0] + val3[31:0]

并行加法

• __SADD8
  指令说明：有符号8位操作数的并行加法
  指令定义：uint32_t __SADD8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   + val2[7:0] 
res[15:8]  = val1[15:8]  + val2[15:8] 
res[23:16] = val1[23:16] + val2[23:16] 
res[31:24] = val1[31:24] + val2[31:24]    

• __QADD8
  指令说明：有符号8位操作数的并行饱和加法
  指令定义：uint32_t __QADD8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   + val2[7:0] 
res[15:8]  = val1[15:8]  + val2[15:8] 
res[23:16] = val1[23:16] + val2[23:16] 
res[31:24] = val1[31:24] + val2[31:24]   

• __SHADD8
  指令说明：有符号8位操作数的并行减半加法
  指令定义：uint32_t __SHADD8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   + val2[7:0]  >> 1
res[15:8]  = val1[15:8]  + val2[15:8] >> 1
res[23:16] = val1[23:16] + val2[23:16] >> 1
res[31:24] = val1[31:24] + val2[31:24] >> 1  

• __UADD8
  指令说明：无符号8位操作数的并行加法
  指令定义：uint32_t __UADD8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   + val2[7:0] 
res[15:8]  = val1[15:8]  + val2[15:8] 
res[23:16] = val1[23:16] + val2[23:16] 
res[31:24] = val1[31:24] + val2[31:24]    

• __UQADD8
  指令说明：无符号8位操作数的并行饱和加法
  指令定义：uint32_t __UQADD8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   + val2[7:0] 
res[15:8]  = val1[15:8]  + val2[15:8] 
res[23:16] = val1[23:16] + val2[23:16] 
res[31:24] = val1[31:24] + val2[31:24]    

• __UHADD8
  指令说明：无符号8位操作数的并行减半加法
  指令定义：uint32_t __UHADD8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   + val2[7:0]  >> 1
res[15:8]  = val1[15:8]  + val2[15:8] >> 1
res[23:16] = val1[23:16] + val2[23:16] >> 1
res[31:24] = val1[31:24] + val2[31:24] >> 1  

并行减法

• __SSUB8
  指令说明：有符号8位操作数的并行减法
  指令定义：uint32_t __SSUB8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   - val2[7:0] 
res[15:8]  = val1[15:8]  - val2[15:8]
res[23:16] = val1[23:16] - val2[23:16]
res[31:24] = val1[31:24] - val2[31:24]

• __QSUB8
  指令说明：有符号8位操作数的并行饱和减法
  指令定义：uint32_t __QSUB8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   - val2[7:0] 
res[15:8]  = val1[15:8]  - val2[15:8]
res[23:16] = val1[23:16] - val2[23:16]
res[31:24] = val1[31:24] - val2[31:24]

• __SHSUB8
  指令说明：有符号8位操作数的并行减半减法
  指令定义：uint32_t __SHSUB8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   - val2[7:0]   >> 1
res[15:8]  = val1[15:8]  - val2[15:8]  >> 1
res[23:16] = val1[23:16] - val2[23:16] >> 1
res[31:24] = val1[31:24] - val2[31:24] >> 1

• __USUB8
  指令说明：无符号8位操作数的并行减法
  指令定义：uint32_t __USUB8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   - val2[7:0] 
res[15:8]  = val1[15:8]  - val2[15:8]
res[23:16] = val1[23:16] - val2[23:16]
res[31:24] = val1[31:24] - val2[31:24]

• __UQSUB8
  指令说明：无符号8位操作数的并行饱和减法
  指令定义：uint32_t __UQSUB8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   - val2[7:0] 
res[15:8]  = val1[15:8]  - val2[15:8]
res[23:16] = val1[23:16] - val2[23:16]
res[31:24] = val1[31:24] - val2[31:24]

• __UHSUB8
  指令说明：无符号8位操作数的并行减半减法
  指令定义：uint32_t __UHSUB8 (uint32_t val1, uint32_t val2 )
  指令操作：

res[7:0]   = val1[7:0]   - val2[7:0]   >> 1
res[15:8]  = val1[15:8]  - val2[15:8]  >> 1
res[23:16] = val1[23:16] - val2[23:16] >> 1
res[31:24] = val1[31:24] - val2[31:24] >> 1

指令集详细参考