【ARMv8/ARMv9 硬件加速系列 3 -- SVE 指令语法及编译参数详细介绍】

文章目录

- SVE 汇编语法
- - SVE 单通道谓词
  - SVE 测试代码
- SVE 软件和库支持
- - SVE 编译参数配置
  - - -march=armv8-a
    - +lse
    - +profile
    - +memtag
    - +sve2-aes
    - +sve2-bitperm
    - +crypto
    - +sve2
    - +sve2-sha3
    - +sve2-sm4

SVE 汇编语法

在介绍 SVE 汇编指令语法之前，先介绍下如何判断自己所使用的芯片是否实现了SVE功能，如下图所示，可以通过寄存器ID_AA64PFR0_EL1 来判断是否实现了 SVE 功能，可以看到通过这个寄存器也可以查看 AMU, MPAM 等功能的信息。
在这里插入图片描述

可以通过下面汇编代码判断SVE是否实现：

mrs     x0, ID_AA64PFR0_EL1
ubfx    x5, x0, #32, #4         // Extract the sve field
and     x5, x5, #0xff
cmp     x5, #1                 //  sve not present
b.ne    sve_not_present

SVE 引入了以下重要的架构特性：

单通道谓词（per-lane predication）
聚集加载和分散存储（gather-load and scatter-store）
谓词驱动的循环控制和管理
用于软件控制的投机的向量分区
扩展的浮点和水平归约

SVE 单通道谓词

SVE（Scalable Vector Extension）扩展提供了灵活的向量处理能力。SVE引入了谓词寄存器（如p0到p15），这些寄存器用于控制向量操作的执行。谓词寄存器中的每一位对应向量寄存器中的一个元素，指示该元素是否应该参与到特定的向量操作中。

ADD Z0.D, P0/M, Z0.D, Z1.D

活动元素 Z0 和 Z1 相加并将结果放入 Z0。P0 指示操作数的哪些元素是活动的和非活动的。 P0后面的 “M” 表示 Merging，表示将非活动元素合并，因此 Z0的非活动元素在ADD操作后将保持其原始值。

如果在 P0 之后是“Z”，即归零，则目标寄存器的非活动元素将在操作后归零。

SVE 测试代码

下面测试代码将向量寄存器z0.d 赋值0x5555555511111111, 将z1.d 赋值0x4444444422222222，然后两者相加再赋值给z1.d，最后将结果通过x0返回给调用函数，通过 ptrue p0.d 将谓词寄存器p0中所有元素的控制位都设为1。然后通过st1d 将计算结果写入到地址0xB0000000处。

.type sve_test %function
.global sve_test
sve_test:
    stp	    x29, x30, [sp, #-0x10 * 1]!

    /* define a element as 64bits and fully true */
    ptrue   p0.d

    ldr x0, =0x5555555511111111

    /* duplicate value to all elements */
    dup z0.d, x0

    ldr x1, =0x4444444422222222
    dup z1.d, x1

    add z1.d, p0/m, z1.d, z0.d

    ldr x1, =0xB0000000

    st1d {z1.d}, p0, [x1]
    ldr x0, [x1]

    ldp x29, x30, [sp], #0x10
    ret

测试效果：
可以看到向量寄存器 z0.d + z1.d的值为0x9999999933333333

在这里插入图片描述

SVE 软件和库支持

要构建 SVE 应用程序，须选择支持 SVE 功能的编译器，例如：

GNU 工具 8.0+ 版支持 C/C++/Fortran 的 SVE 优化。
Arm Compiler for Linux，Arm Linux 的原生编译器。 Arm Compiler for Linux 18.0+ 版支持 C、C++ 和 Fortran 代码的 SVE 代码生成。 Arm Compiler for Linux 是 Arm Linux 用户空间工具解决方案 Arm Allinea Studio 的一部分。
Arm Compiler 6 是一个用于裸机应用程序开发的跨平台编译器，也支持从 6.12 版本开始的 SVE 代码生成。除了编译器之外，您还可以依赖一些高度优化的 SVE 库，例如：
Arm 性能库是一组高度优化的数学例程，可以链接到您的应用程序。 Arm 性能库版本 19.3+ 支持 SVE 的数学库。 Arm 性能库是 Arm Compiler for Linux 的一部分。
其他第三方数学库。

同时还需要配置相对应的编译参数，如下节内容。

SVE 编译参数配置

-march=armv8-a

这个参数指定了目标架构是 ARMv8-A。-march选项用于指定GCC应该为哪个架构生成代码，而ARMv8-A是ARM第八代架构，支持64位处理器，引入了很多新的特性和指令集，其中就包括

+lse

LSE（Large System Extension）扩展增加了一组针对原子操作的改进，有助于提高多核处理器上的同步性能。

+profile

这个选项可能是指启用对性能监控和分析特性的支持，但标准GCC文档中并未明确列出+profile作为一个独立的功能。通常，性能分析可以通过其他工具和编译器选项（如-pg用于gprof）来启用。

+memtag

启用内存标签扩展（Memory Tagging Extension, MTE），这是一种用于检测和预防内存相关错误（如越界访问和使用后释放）的安全特性。关于ARMv9 MTE 见文章：【ARM Cache 与 MMU 系列文章 7.5 – ARMv8/v9 MMU FEAT_XS（XS Attribute）与 FEAT_MTE2 介绍】。