将内存中的 8 个字符作为打包的单精度浮点数加载到 __m256 变量中

Question

我正在优化图像上的高斯模糊算法，我想用 __m256 内部变量替换下面代码中浮点缓冲区 [8] 的使用。哪一系列指令最适合这项任务？

// unsigned char *new_image is loaded with data
...
  float buffer[8];

  buffer[x ]      = new_image[x];       
  buffer[x + 1] = new_image[x + 1]; 
  buffer[x + 2] = new_image[x + 2]; 
  buffer[x + 3] = new_image[x + 3]; 
  buffer[x + 4] = new_image[x + 4]; 
  buffer[x + 5] = new_image[x + 5]; 
  buffer[x + 6] = new_image[x + 6]; 
  buffer[x + 7] = new_image[x + 7]; 
 // buffer is then used for further operations
...

//What I want instead in pseudocode:
 __m256 b = [float(new_image[x+7]), float(new_image[x+6]), ... , float(new_image[x])];

Answer 1

如果您使用的是 AVX2，则可以使用 PMOVZX 将字符零扩展为 256b 寄存器中的 32 位整数。从那里，可以就地转换为浮点数。

; rsi = new_image
VPMOVZXBD   ymm0,  [rsi]   ; or SX to sign-extend  (Byte to DWord)
VCVTDQ2PS   ymm0, ymm0     ; convert to packed foat

即使您想对多个向量执行此操作，这也是一个很好的策略，但更好的方法可能是 128 位广播负载来馈送 vpmovzxbd ymm,xmm 和 vpshufb ymm (_mm256_shuffle_epi8) 对于高 64 位， 因为 Intel SnB 系列 CPU 没有微熔断 vpmovzx ymm,mem，只有 vpmovzx xmm,mem。 (https://agner.org/optimize/)。广播负载是单 uop，不需要 ALU 端口，运行纯粹在负载端口中。所以这是 bcast-load + vpmovzx + vpshufb 的 3 个微指令。

（TODO：写一个内在函数版本。它还回避了 _mm_loadl_epi64 -> _mm256_cvtepu8_epi32 的错过优化问题。）

当然这需要另一个寄存器中的洗牌控制向量，所以只有当你可以多次使用它时才值得。

vpshufb可用，因为每个车道所需的数据从广播中就已经存在，并且shuffle-control的高位会将相应的元素归零。

这个broadcast+shuffle的策略在Ryzen上可能还不错； Agner Fog 没有在上面列出 vpmovsx/zx ymm 的 uop 计数。

不要执行类似 128 位或 256 位加载的操作，然后将其打乱以进一步提供 vpmovzx 指令。总洗牌吞吐量可能已经成为瓶颈，因为 vpmovzx 是洗牌。 Intel Haswell/Skylake（最常见的 AVX2 uarches）每时钟 1 次随机播放，但每时钟 2 次加载。使用额外的洗牌指令而不是将单独的内存操作数折叠成 vpmovzxbd 是很糟糕的。只有你可以像我建议的那样减少总 uop 数量 broadcast-load + vpmovzxbd + vpshufb 它是一个胜利。

我在上的回答可能与转换回 uint8_t 相关。如果使用 AVX2 packssdw/packuswb，后面的 pack-back-to-bytes 部分是半棘手的，因为它们在通道内工作，不像 vpmovzx.

只有 AVX1，没有 AVX2，你应该这样做：

VPMOVZXBD   xmm0,  [rsi]
VPMOVZXBD   xmm1,  [rsi+4]
VINSERTF128 ymm0, ymm0, xmm1, 1   ; put the 2nd load of data into the high128 of ymm0
VCVTDQ2PS   ymm0, ymm0     ; convert to packed float.  Yes, works without AVX2

你当然不需要浮点数组，只需要 __m256 个向量。

GCC / MSVC 错过了 VPMOVZXBD ymm,[mem] 内在函数

的优化

GCC 和 MSVC 不擅长将 _mm_loadl_epi64 折叠成 vpmovzx* 的内存操作数。（但至少是正确宽度的内在负载，这与 pmovzxbq xmm, word [mem] 不同。）

我们得到一个 vmovq 负载，然后是一个带有 XMM 输入的单独 vpmovzx。（使用 ICC 和 clang3.6+ 我们可以通过使用 _mm_loadl_epi64 获得安全 + 最佳代码，就像 gcc9+ 一样）

但是 gcc8.3 和更早版本可以将一个 _mm_loadu_si128 16 字节加载内在函数折叠到一个 8 字节内存操作数中。这在 GCC 上的 -O3 处提供了最佳的 asm，但在 -O0 处是不安全的，它编译为实际的 vmovdqu 加载，涉及我们实际加载的更多数据，并且可能会结束一页。

由于这个答案提交了两个 gcc 错误：

SSE/AVX movq load (_mm_cvtsi64_si128) not being folded into pmovzx（已为 gcc9 修复，但此修复会破坏 128 位加载的加载折叠，因此针对旧 GCC 的解决方法 hack 会使 gcc9 性能更差。）
No intrinsic for x86 MOVQ m64, %xmm in 32bit mode。（TODO：也为 clang/LLVM 报告此问题？）

没有使用 SSE4.1 pmovsx / pmovzx 作为负载的内在函数，只有 __m128i 源操作数。但是 asm 指令只读取它们实际使用的数据量，而不是 16 字节 __m128i 内存源操作数。与 punpck* 不同，您可以在页面的最后 8B 上使用它而不会出错。（即使是非 AVX 版本，在未对齐的地址上也是如此）。

所以这是我想出的邪恶解决方案。不要使用它，#ifdef __OPTIMIZE__ 是不好的，它可能会产生只发生在调试版本或优化版本中的错误！

#if !defined(__OPTIMIZE__)
// Making your code compile differently with/without optimization is a TERRIBLE idea
// great way to create Heisenbugs that disappear when you try to debug them.
// Even if you *plan* to always use -Og for debugging, instead of -O0, this is still evil
#define USE_MOVQ
#endif

__m256 load_bytes_to_m256(uint8_t *p)
{
#ifdef  USE_MOVQ  // compiles to an actual movq then movzx ymm, xmm with gcc8.3 -O3
    __m128i small_load = _mm_loadl_epi64( (const __m128i*)p);
#else  // USE_LOADU // compiles to a 128b load with gcc -O0, potentially segfaulting
    __m128i small_load = _mm_loadu_si128( (const __m128i*)p );
#endif

    __m256i intvec = _mm256_cvtepu8_epi32( small_load );
    //__m256i intvec = _mm256_cvtepu8_epi32( *(__m128i*)p );  // compiles to an aligned load with -O0
    return _mm256_cvtepi32_ps(intvec);
}

启用 USE_MOVQ，gcc -O3 (v5.3.0) emits。（MSVC 也是）

load_bytes_to_m256(unsigned char*):
        vmovq   xmm0, QWORD PTR [rdi]
        vpmovzxbd       ymm0, xmm0
        vcvtdq2ps       ymm0, ymm0
        ret

愚蠢的vmovq是我们要避免的。如果让它使用不安全的 loadu_si128 版本，它将生成很好的优化代码。

GCC9、clang 和 ICC 发出：

load_bytes_to_m256(unsigned char*): 
        vpmovzxbd       ymm0, qword ptr [rdi] # ymm0 = mem[0],zero,zero,zero,mem[1],zero,zero,zero,mem[2],zero,zero,zero,mem[3],zero,zero,zero,mem[4],zero,zero,zero,mem[5],zero,zero,zero,mem[6],zero,zero,zero,mem[7],zero,zero,zero
        vcvtdq2ps       ymm0, ymm0
        ret

使用内在函数编写仅限 AVX1 的版本对于 reader 来说是一项无趣的练习。您要求 "instructions"，而不是 "intrinsics"，这是内在函数中存在差距的地方。必须使用 _mm_cvtsi64_si128 来避免可能从越界地址加载是愚蠢的，IMO。我希望能够根据它们映射到的指令来考虑内在函数，使用 load/store 内在函数来通知编译器对齐保证或缺乏对齐保证。必须将内在函数用于我不想要的指令是非常愚蠢的。

另请注意，如果您正在查看英特尔 insn 参考手册，则有两个单独的 movq 条目：

movd/movq，可以有整数寄存器作为src/dest操作数（66 REX.W 0F 6E（或VEX.128.66.0F.W1 6E）的版本（V） MOVQ xmm，r/m64)。在那里您会找到可以接受 64 位整数 _mm_cvtsi64_si128 的内在函数。（一些编译器不在 32 位模式下定义它。）
movq：可以有两个xmm寄存器作为操作数的版本。这个是MMXreg -> MMXreg指令的扩展，也可以像MOVDQU一样load/store。 MOVQ xmm, xmm/m64).
的操作码 F3 0F 7E (VEX.128.F3.0F.WIG 7E)
asm ISA 参考手册仅列出了 m128i _mm_mov_epi64(__m128i a) 内在函数，用于在复制向量时将向量的高位 64b 归零。但是 the intrinsics guide does list _mm_loadl_epi64(__m128i const* mem_addr) 有一个愚蠢的原型（当它实际上只加载 8 个字节时指向 16 字节 __m128i 类型）。它在所有 4 个主要的 x86 编译器上都可用，而且实际上应该是安全的。请注意，__m128i* 只是传递给这个不透明的内在函数， 而不是 实际上是取消引用。

还列出了更健全的_mm_loadu_si64 (void const* mem_addr)，但是gcc缺少那个。

将内存中的 8 个字符作为打包的单精度浮点数加载到 __m256 变量中

Loading 8 chars from memory into an __m256 variable as packed single precision floats

c++

sse

simd

avx

avx2