現(xiàn)代手機要處理很多電話和視頻的信號，還要盡量省電。數(shù)字信號處理器（DSP）是一種專門的芯片，可以幫助手機做這些事情，讓CPU不用太累。

Hexagon處理器是Qualcomm公司設計的一種NPU，用在它們的驍龍產(chǎn)品里。不僅可以處理信號，還可以處理機器學習的任務，因為它有一種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處理信號。它可以同時運行多個線程，也就是說它可以同時做幾件事情。Hexagon有一個小的協(xié)作器來幫助它執(zhí)行向量和張量的運算，這些運算可以讓它每秒鐘做很多次計算。

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數(shù)據(jù)的技術。但是它有一個不同的執(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深度的執(zhí)行管道，但是也有一個缺點，就是如果出現(xiàn)了一些錯誤，可能不能及時發(fā)現(xiàn)。

在驍龍8 Gen 2里，Hexagon可以同時運行6個線程，比一般的CPU強大，但是也沒有GPU那么強大。每個Hexagon線程默認只有一個標量上下文，也就是說只能做一些簡單的計算。如果要用到向量或張量協(xié)作器，就要先申請。

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

當分支預測給出了目標地址后，Hexagon就從指令緩存中取出一個128位的VLIW捆綁。每個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”這個名字。

“Qualcomm Quadrilateral”聽起來更合理，也更好聽。VLIW捆綁可以讓它用簡單的硬件來執(zhí)行多條指令。解碼器便宜，因為每個VLIW位置只能放一種類型的指令。硬件不用解決沖突，因為打包到VLIW捆綁中的指令不能互相影響，并且不能寫入同一個寄存器。執(zhí)行管道選擇邏輯也更簡單，因為每個VLIW位置對應一個執(zhí)行管道。

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

Hexagon有一個32位標量單元，每個線程上下文有32個寄存器。這個標量單元很強大，可以獨立處理一些輕量級的DSP任務。因為VLIW打包，它可以每個周期完成最多四條指令，并且每條指令可以做很多事情。有一些專門的指令用于圖像處理和視頻解碼等任務。“標量”單元甚至可以執(zhí)行向量操作。比如說，它可以把幾個小的數(shù)據(jù)放到一個寄存器里，然后一起處理。標量單元的兩個管道也可以處理浮點運算。這有點像Intel的MMX，只是它用的是通用寄存器。

有一些專用的控制寄存器可以讓它自動循環(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問數(shù)據(jù)的技術。一個特殊的“全局指針”寄存器可以幫助它訪問全局或靜態(tài)數(shù)據(jù)。這些技術可以減少寄存器的壓力。

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

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

TCM對于Hexagon的散點和聚集操作很重要。散點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，或者反過來的操作。對于緩存來說，散點和聚集操作很難處理，因為一個1024位向量可能需要訪問128個不同的地址。在關聯(lián)組緩存中查找一行需要比較很多次。最壞的情況下，散點操作可能需要比較1024次。因為TCM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為每個線程提供了四個128位謂詞寄存器。謂詞寄存器可以保存向量比較的結果，并且可以用作某些指令的掩碼，例如條件累積。

過去的Hexagon實現(xiàn)主要做向量整數(shù)操作，但為了讓HVX更靈活，Qualcomm增加了浮點功能。

機器學習促使Qualcomm在Hexagon中添加了一個張量協(xié)作器。張量協(xié)作器可以做矩陣乘法這樣的運算，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，因為它們只用來保存結果，而不用讀取。

總結：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強大功能。它使用VLIW執(zhí)行來平衡靈活性和性能。它有一個強大的標量單元來處理輕量級DSP任務。

隨著處理要求的增加，Qualcomm增加了HVX和張量協(xié)作器來提高DSP吞吐量。這些協(xié)作器可以處理向量和張量運算，并且有專門的內(nèi)存技術來支持它們。

編輯：黃飛

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