現(xiàn)代手機(jī)要處理很多電話(huà)和視頻的信號(hào)，還要盡量省電。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是一種專(zhuān)門(mén)的芯片，可以幫助手機(jī)做這些事情，讓CPU不用太累。

Hexagon處理器是Qualcomm公司設(shè)計(jì)的一種NPU，用在它們的驍龍產(chǎn)品里。不僅可以處理信號(hào)，還可以處理機(jī)器學(xué)習(xí)的任務(wù)，因?yàn)樗幸环N叫做矩陣乘法的功能。

Hexagon是一種可以一次執(zhí)行四條指令的芯片，而且有一些特別的功能來(lái)處理信號(hào)。它可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線(xiàn)程，也就是說(shuō)它可以同時(shí)做幾件事情。Hexagon有一個(gè)小的協(xié)作器來(lái)幫助它執(zhí)行向量和張量的運(yùn)算，這些運(yùn)算可以讓它每秒鐘做很多次計(jì)算。

Hexagon也支持虛擬內(nèi)存和緩存，這些是一些可以讓它更快地讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的技術(shù)。但是它有一個(gè)不同的執(zhí)行模型，就是它先提交指令，然后再執(zhí)行。這樣做可以讓它有一個(gè)深度的執(zhí)行管道，但是也有一個(gè)缺點(diǎn)，就是如果出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤，可能不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

在驍龍8 Gen 2里，Hexagon可以同時(shí)運(yùn)行6個(gè)線(xiàn)程，比一般的CPU強(qiáng)大，但是也沒(méi)有GPU那么強(qiáng)大。每個(gè)Hexagon線(xiàn)程默認(rèn)只有一個(gè)標(biāo)量上下文，也就是說(shuō)只能做一些簡(jiǎn)單的計(jì)算。如果要用到向量或張量協(xié)作器，就要先申請(qǐng)。

在前端，分支預(yù)測(cè)是一種可以讓它提前知道接下來(lái)要執(zhí)行哪些指令的技術(shù)。這樣可以節(jié)省時(shí)間和能源。Qualcomm為Hexagon實(shí)現(xiàn)了分支預(yù)測(cè)，并且提供了一些性能監(jiān)控事件來(lái)顯示分支預(yù)測(cè)的效果，大部分分支只需要兩個(gè)周期就能處理好，少數(shù)分支需要三個(gè)周期。

當(dāng)分支預(yù)測(cè)給出了目標(biāo)地址后，Hexagon就從指令緩存中取出一個(gè)128位的VLIW捆綁。每個(gè)VLIW捆綁包含最多四條指令，這讓我想知道為什么Qualcomm選擇了“Hexagon”這個(gè)名字。

“Qualcomm Quadrilateral”聽(tīng)起來(lái)更合理，也更好聽(tīng)。VLIW捆綁可以讓它用簡(jiǎn)單的硬件來(lái)執(zhí)行多條指令。解碼器便宜，因?yàn)槊總€(gè)VLIW位置只能放一種類(lèi)型的指令。硬件不用解決沖突，因?yàn)榇虬絍LIW捆綁中的指令不能互相影響，并且不能寫(xiě)入同一個(gè)寄存器。執(zhí)行管道選擇邏輯也更簡(jiǎn)單，因?yàn)槊總€(gè)VLIW位置對(duì)應(yīng)一個(gè)執(zhí)行管道。

指令取出和解碼后，就被發(fā)送到相應(yīng)的單位或協(xié)作器進(jìn)行執(zhí)行。

Hexagon有一個(gè)32位標(biāo)量單元，每個(gè)線(xiàn)程上下文有32個(gè)寄存器。這個(gè)標(biāo)量單元很強(qiáng)大，可以獨(dú)立處理一些輕量級(jí)的DSP任務(wù)。因?yàn)閂LIW打包，它可以每個(gè)周期完成最多四條指令，并且每條指令可以做很多事情。有一些專(zhuān)門(mén)的指令用于圖像處理和視頻解碼等任務(wù)。“標(biāo)量”單元甚至可以執(zhí)行向量操作。比如說(shuō)，它可以把幾個(gè)小的數(shù)據(jù)放到一個(gè)寄存器里，然后一起處理。標(biāo)量單元的兩個(gè)管道也可以處理浮點(diǎn)運(yùn)算。這有點(diǎn)像Intel的MMX，只是它用的是通用寄存器。

有一些專(zhuān)用的控制寄存器可以讓它自動(dòng)循環(huán)，這樣就不用每次都檢查循環(huán)條件。循環(huán)緩沖區(qū)也是一種可以讓它更快地訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的技術(shù)。一個(gè)特殊的“全局指針”寄存器可以幫助它訪(fǎng)問(wèn)全局或靜態(tài)數(shù)據(jù)。這些技術(shù)可以減少寄存器的壓力。

Hexagon矢量擴(kuò)展（HVX）為更重的DSP任務(wù)提供了更多支持。HVX提供32個(gè)1024位矢量寄存器和一組執(zhí)行管道，可以做一些向量運(yùn)算。Hexagon的矢量上下文比標(biāo)量多，所以線(xiàn)程要用到HVX就要先申請(qǐng)。

向量化應(yīng)用程序需要訪(fǎng)問(wèn)很多數(shù)據(jù)，Qualcomm甚至不在L1里緩存向量訪(fǎng)問(wèn)。相反，矢量單元直接用L2緩存作為它的第一級(jí)緩存。除了L2緩存，Hexagon還有一個(gè)大型TCM（緊密耦合內(nèi)存）。這是一種軟件管理的臨時(shí)存儲(chǔ)器，類(lèi)似于AMD GCN的LDS，但更大。在驍龍8 Gen 2的Hexagon上，有一個(gè)8 MB的TCM。

TCM對(duì)于Hexagon的散點(diǎn)和聚集操作很重要。散點(diǎn)和聚集操作是一種可以把數(shù)據(jù)從內(nèi)存中的不連續(xù)位置放到向量里，或者反過(guò)來(lái)的操作。對(duì)于緩存來(lái)說(shuō)，散點(diǎn)和聚集操作很難處理，因?yàn)橐粋€(gè)1024位向量可能需要訪(fǎng)問(wèn)128個(gè)不同的地址。在關(guān)聯(lián)組緩存中查找一行需要比較很多次。最壞的情況下，散點(diǎn)操作可能需要比較1024次。因?yàn)門(mén)CM不是緩存，它不用比較，所以更快。Hexagon甚至不在可緩存的內(nèi)存上執(zhí)行散點(diǎn)和聚集操作，只在TCM上執(zhí)行。

除了大型矢量寄存器文件，HVX為每個(gè)線(xiàn)程提供了四個(gè)128位謂詞寄存器。謂詞寄存器可以保存向量比較的結(jié)果，并且可以用作某些指令的掩碼，例如條件累積。

過(guò)去的Hexagon實(shí)現(xiàn)主要做向量整數(shù)操作，但為了讓HVX更靈活，Qualcomm增加了浮點(diǎn)功能。

機(jī)器學(xué)習(xí)促使Qualcomm在Hexagon中添加了一個(gè)張量協(xié)作器。張量協(xié)作器可以做矩陣乘法這樣的運(yùn)算，這樣每條指令就可以做更多的事情，而且省電。累加器也得到了特殊處理，因?yàn)樗鼈冎挥脕?lái)保存結(jié)果，而不用讀取。

總結(jié)：Hexagon讓我們看到了DSP奇妙世界的一部分。它介于CPU和GPU之間，既有CPU舒適功能，又有GPU強(qiáng)大功能。它使用VLIW執(zhí)行來(lái)平衡靈活性和性能。它有一個(gè)強(qiáng)大的標(biāo)量單元來(lái)處理輕量級(jí)DSP任務(wù)。

隨著處理要求的增加，Qualcomm增加了HVX和張量協(xié)作器來(lái)提高DSP吞吐量。這些協(xié)作器可以處理向量和張量運(yùn)算，并且有專(zhuān)門(mén)的內(nèi)存技術(shù)來(lái)支持它們。

編輯：黃飛

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