NEON编码 - 第4部分: 左右移位

英文版:Coding for NEON - Part 4: Shifting Left and Right

本文将介绍NEON提供的移位运算,并显示如何利用移位运算在常用颜色深度之间转换影像数据。本系列前期已发布的文章包括:第1部分:加载与存储第2部分:余数的处理第3部分:矩阵乘法

向量移位

NEON上的移位与标量ARM编码中可能用到的移位非常相似,即每个向量元素的位数均向左或向右移位,出现在每个元素左侧或右侧的位将被删除;它们不能移位至相邻的元素。

带符号元素的向量上发生的右移位由指令附加的类型指定,并会将符号扩展至每一个元素。这与ARM编码中可能用到的算术移位相同。应用到无符号向量的移位不会发生符号扩展。

移位与插入

NEON也支持通过插入产生移位,使两个不同向量的位相结合。例如,左移位与插入(VSLI)可使源向量的每一个元素均向左移位。每个元素右侧新插入的位就是目标向量中的对应位。

移位与计算

最后,NEON还支持向量元素向右移位,并将结果计入到另一个向量中。这种方法对于先在高精度条件下进行临时计算,然后再将结果与低精度计算器相结合的情况非常有用。

指令修改器

每个移位指令都能拥有一个或多个修改器。这些修改器并不改变移位运算本身,而是通过调整输入值或输出值,消除偏差或饱和状况,保持一定的范围。共有五种移位修改器:

  • 舍位修改器 (Rounding),以R前缀表示,可以纠正右移时舍位导致的偏差。
  • 窄修改器 (Narrow),以N后缀表示,可以让结果中每个元素的位数减半。它代表Q(128位)源和D(64位)目标寄存器。
  • 长修改器 (Long),以L后缀表示,可以让结果中每个元素的位数加倍。它代表D源和Q目标寄存器。饱和修改器 (Saturating),以Q前缀表示,可以在最大和最小可表范围内设置每个结果元素,前提是结果未超出该范围。向量的位数和符号类型可用于确定饱和范围。
  • 无符号饱和修改器 (Unsigned Saturating),以Q前缀和U后缀表示,与饱和修改器类似,但在进行带符号或无符号输入时,结果将在无符号范围内表现为饱和。

这些修改器的部分组合并未表现出有用的运算,因此NEON也没有提供相应指令。例如,饱和右移位(应称为VQSHR)其实就毫无必要,因为右移位只会让结果变得更小,因而值根本无法超出有效范围。

可用移位表

NEON提供的所有移位指令均在下表中列出。它们根据先前提到的修改器进行排列。如果你还是不太确定修改器各个字母代表的含义,请利用下表选择需要的指令。

示例:转换颜色深度

颜色深度之间的转换是图形处理中经常需要的运算。通常,输入或输出数据都是RGB565 16位颜色格式,但RGB888格式的数据处理起来更为方便。对于NEON而言尤其如此,因为它无法为RGB565这样的数据类型提供本机支持。

但是,NEON仍然可以有效地处理RGB565数据,上文中介绍的向量移位便提供了处理方法。

从565到888

首先,我们来看如何将RGB565转换为RGB888。假设寄存器q0中有8个16位像素,我们想要在d2、d3和d4这三个寄存器中将红色、绿色和蓝色分离成8位的元素。

每个指令的效果都在上面备注中做了描述,但总而言之,每个通道上执行的运算为:

  1. 利用移位推掉元素任意一端的位数,清除相邻通道的颜色数据。
  2. 使用第二次移位将颜色数据放置到每个元素最重要的位上,并缩短位数将元素大小从16位减至8位。

请注意在这个顺序中使用元素大小来确定8位和16位元素的位置,以进行部分掩码运算。

一个小问题

你可能会注意到,如果使用上述代码转换到RGB888格式,白色显得不够白。这是因为,对于每个通道而言,最低的2或3位是零,而不是1;白色在RGB565中表示为(0x1F, 0x3F, 0x1F),而在RGB888中,却变成了 (0xF8, 0xFC, 0xF8)。这可以通过移位来解决,将部分最重要的位插入到低位。

从888到565

现在,我们来看反向运算,即从RGB888转换为RGB565。这里,我们假设RGB888数据为上述代码产生的格式;在d0、d1和d2这三个寄存器上,每个寄存器均包含每种颜色的8个元素。结果将存储为q2格式的8个16位RGB565元素。


同样,每个指令的详细说明在备注中列出,但总而言之,对于每个通道而言:

  1. 将每个元素的长度扩展至16位,并将颜色数据移至最重要的位上。
  2. 使用插入右移位,将每个颜色通道放置到结果寄存器中。

结论

NEON提供的强大的移位指令范围让你能够:

  • 利用舍入和饱和,通过二次幂快速进行向量的除法和乘法运算。
  • 通过移位将一个向量位复制到另一个向量位。
  • 在高精度条件下进行临时计算,并在低精度条件下计算结果。


Martyn是处理器领域的资深软件工程师,已在ARM工作了近10年。他主要负责改善ARM平台上软件的性能和体验。他对使用汇编语言和SIMD实现软件优化非常感兴趣,尤其是在图形和多媒体领域。

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