如何在RISC-V中使用DSP指令？

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2022-2-16 07:43:19　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × heks 该类别下有 20 个回答。邀请回答新星之火12138 该类别下有 18 个回答。邀请回答 wang21cj 该类别下有 17 个回答。邀请回答 hgimtk 该类别下有 16 个回答。邀请回答科源机电该类别下有 15 个回答。邀请回答 liutiefu 该类别下有 15 个回答。邀请回答 kghfh 该类别下有 14 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 13 个回答。邀请回答 dgfdf 该类别下有 13 个回答。邀请回答 723662364d 该类别下有 13 个回答。邀请回答一巷清苑该类别下有 13 个回答。邀请回答 efwedfd 该类别下有 12 个回答。邀请回答小华同学该类别下有 12 个回答。邀请回答 jsqueh 该类别下有 12 个回答。邀请回答红旧衫该类别下有 12 个回答。邀请回答早知该类别下有 12 个回答。邀请回答 Ehunt 该类别下有 12 个回答。邀请回答张峰9998 该类别下有 12 个回答。邀请回答 hy381 该类别下有 12 个回答。邀请回答 ggfvxv 该类别下有 12 个回答。邀请回答举报吴湛相关推荐 • 什么是RISC-V？ RISC-V指令具有哪些特点应用？ 2474 • 关于RISC-V的几个疑问? 539 • 什么是RISC-V 912 • RISC-V有哪些优缺点？是坚持ARM方向还是投入risc-V的怀抱？ 1114 • 计算机RISC-V内容整理 2268 • RISC-V的指令有什么特点? 665 • RISC-V没有NOP指令，如何实现执行多个NOP？ 2312 • RISC-V指令集说明哪里有？ 1737 • 如何在VSCODE下面进行RISC-V的调试 718 • 请问RISC-V自定义指令如何保持软件的兼容性？ 972 1个回答

1.概述

DSP有相关的专业芯片，能够专门实现计算功能，相比于通用处理器，DSP芯片专门用于计算，可以在一个周期内执行多条计算。随着单片机对计算功能的需求越来越多，如果用传统的通用处理器去执行大数据的计算，将会消耗许多的机器周期，导致系统的实时性变低。于是，一些通用芯片上也开始集成DSP扩展，比如常见的ARM Cortex-R和ARM Cortex-M内核。
有了这些DSP扩展支持，其功能更加强大，使用上，许多的办法都可以进行。比如常用的CMSIS-DSP。就是arm提供的DSP的编程库。使用上可以只需要将lib库和头文件包含到项目中即可。这样就可以使用CMSIS里面的函数功能，比如求正余弦函数。
arm_cos_f32(radians); 如果用标准的数学库中的cos函数，同样也能够达到目的，标准库函数则需要消耗更多的机器周期，而使用了DSP库，则更加方便高效的进行计算。
上述是ARM对DSP支持的使用，RISC-V也支持DSP扩展，在RISC-V的架构手册上，就对DSP扩展有着一些描述。
目前的支持riscv dsp的riscv core已经有了，但是实际的硬件芯片，市面上还没有见到。目前riscv 的 p扩展还是处于没有稳定的阶段，通过文档的阅读，也能够大致的描述最终的模型。
首先其特点如下：
RISC-V DSP扩展是采用的通用寄存器进行数据的存储，这意味着SIMD的寄存器的单位是以通用寄存器的宽度作为标准，如果是RV32，寄存器的长度是32，如果是RV64，则寄存器的长度为64。
相比于RISC-V 的RVV，DSP扩展其寄存器的长度有限，但是对于并不复杂的计算来说，已经足够，特别是简单的音频，图形编解码，电机控制等等，都是非常好用的。
下面来描述一下具体如何在RISC-V上进行DSP的编程。
2.RISC-V P扩展编程实践(内联汇编)

riscv-p-spec规定了P扩展的一些常用的函数功能。
ADD16 (SIMD 16-bit Addition)

Type: SIMD
Format:

[tr]31 2524 2019 1514 1211 76 0[/tr]

ADD16 0100000

Rs2

Rs1

000

OP-P 1110111

Syntax:
ADD16 Rd, Rs1, Rs2 Purpose: Perform 16-bit integer element additions in parallel.
Description: This instruction adds the 16-bit integer elements in Rs1 with the 16-bit integer elements in Rs2, and then writes the 16-bit element results to Rd.
Operations:
Rd.H[x] = Rs1.H[x] + Rs2.H[x];for RV32: x=1..0,for RV64: x=3..0 Exceptions: None
Privilege level: All
Note: This instruction can be used for either signed or unsigned addition.
Intrinsic functions:

Required:
uintXLEN_t __rv__add16(uintXLEN_t a, uintXLEN_t b);
Optional (e.g., GCC vector extensions):
RV32: uint16x2_t __rv__v_uadd16(uint16x2_t a, uint16x2_t b); int16x2_t __rv__v_sadd16(int16x2_t a, int16x2_t b);RV64: uint16x4_t __rv__v_uadd16(uint16x4_t a, uint16x4_t b); int16x4_t __rv__v_sadd16(int16x4_t a, int16x4_t b);

在上述的指令中，规定了add16的编码规则，对于RV32来说，一个寄存器的位宽是16，那么可以将一个寄存器拆分成两个单元，一个机器周期，同时执行两条加法。同样的指令，在RV64上，则可以拆分成四个单元，一个机器周期，可以执行四条加法。

通过对编译出来的程序进行反汇编，可以得到对应的汇编代码。

当然，如果要实现dsp指令的扩展，目前官方的编译器还没有完全支持RISC-V的dsp扩展。如果要完成带有dsp指令的支持的gcc编译器，需要对编译器进行一定的定制。因为目前RISC-V的p扩展，并未完全定稿，如果完善后，应该会被合并到主线主线。
其中编程的方式采用gcc内部的内联函数的方式进行，在《P-ext-proposal.adoc》中，规定了Intrinsic functions的形式，比如add16。
uintXLEN_t __rv__add16(uintXLEN_t a, uintXLEN_t b);RV32: uint16x2_t __rv__v_uadd16(uint16x2_t a, uint16x2_t b); int16x2_t __rv__v_sadd16(int16x2_t a, int16x2_t b);RV64: uint16x4_t __rv__v_uadd16(uint16x4_t a, uint16x4_t b); int16x4_t __rv__v_sadd16(int16x4_t a, int16x4_t b); 那么有上述函数可以供调用，不需要任何的库文件的支持，因为在gcc编译器中，内部自己可以根据这些内联函数进行汇编实现。
使用时，只需要包含gcc自带的dsp相关的头文件即可。
#include static __attribute__ ((noinline))unsigned long add16 (unsigned long ra, unsigned long rb){ return __rv__add16 (ra, rb);} 使用技巧上并未特殊方法，但是目前，这基本上是比直接写汇编更加高效的dsp编程方式了。
3.RISC-V P扩展编程实践(库函数)

在很多情况下，底层的DSP指令虽然可以完成很多功能，不同的组合方式将能够带来不同效果，但是这些基础库的使用，在很多方面也需要编程人员有很强的数学基础，并不能提供通用的math计算方法，这时使用库函数将能够在很大程度上解决这个问题。类似ARM的CMSIS-DSP。RISCV生态上也有一个NMSIS。
可以将riscv的标准的dsp指令通过组合，形成更加通用的数学库，比如sin或者cos，fft,matrix等等，一些常用的标准库函数，都可以在里面找到。对于做嵌入式AI来说，已经十分完善。
使用方法上，首先需要添加NMSIS的的lib文件，然后包含头文件。
#include "riscv_math.h" 直接调用NMSIS库中暴露出来的函数即可。
float32_t xx = riscv_cos_f32(float32_t cos); 这种方式更加直接，也能减少编程人员对DSP函数的使用不熟悉，带来的一些人为的错误，所以NMSIS可以说是DSP指令的上层软件。使用该库可以很容易的进行高效的数据运算。
4.总结

在RISC-V的芯片中，如果要使用DSP，首先需要该芯片的硬件设计实现了RISC-V的p扩展，硬件支持的情况下，再适配编译器，编译器也将DSP的支持添加进去，这样可以直接使用DSP扩展的指令了。然而直接使用DSP提供的指令进行计算，工作量还是很大，同时优化也不一定非常的好，此时使用NMSIS库提供的函数，直接利用优化好的数学函数进行数据计算，这样才是高效最简单的方式。