具有内在函数和汇编的嵌入式广播

Question

在 the Intel Architecture Instruction Set Extensions Programming Reference 的第 2.5.3 "Broadcasts" 节中，我们了解到 AVX512（和骑士角）有

a bit-field to encode data broadcast for some load-op instructions, i.e. instructions that load data from memory and perform some computational or data movement operation.

例如，使用 Intel 汇编语法，我们可以在 rax 中存储的地址处广播标量，然后与 zmm2 中的 16 个浮点数相乘，并将结果写入 zmm1，例如这个

vmulps zmm1, zmm2, [rax] {1to16}

但是，没有可以做到这一点的内在函数。因此，使用内部函数，编译器应该能够折叠

__m512 bb = _mm512_set1_ps(b);
__m512 ab = _mm512_mul_ps(a,bb);

单条指令

vmulps zmm1, zmm2, [rax] {1to16}

但我没有观察到 GCC 这样做。我找到了 GCC bug report about this。

我观察到与 FMA 和 GCC 类似的情况。例如GCC 4.9 不会崩溃 _mm256_add_ps(_mm256_mul_ps(areg0,breg0) to a single fma instruction with -Ofast。但是，GCC 5.1 现在确实将其压缩为单个 fma。至少有一些内在函数可以用 FMA 做到这一点，例如_mm256_fmadd_ps。但是没有例如_mm512_mulbroad_ps(vector,scalar) 内在。

GCC 可能会在某个时候解决这个问题，但在那之前汇编是唯一的解决方案。

所以我的问题是如何在 GCC 中使用内联汇编来做到这一点？

我想我可能已经为上面的示例提出了 GCC 内联汇编的正确语法（但我不确定）。

"vmulps        (%%rax)%{1to16}, %%zmm1, %%zmm2\n\t"

我真的很想找这样的功能

static inline __m512 mul_broad(__m512 a, float b) {
    return a*b;
}

如果 b 在内存中指向 rax 它会产生

vmulps        (%rax){1to16}, %zmm0, %zmm0
ret

如果 b 在 xmm1 中，它会产生

vbroadcastss    %xmm1, %zmm1
vmulps          %zmm1, %zmm0, %zmm0
ret

GCC 已经使用内部函数执行 vbroadcastss-from-register 的情况，但是如果 b 在内存中，则从内存中将其编译为 vbroadcastss。

__m512 mul_broad(__m512 a, float b) {       
    __m512 bb = _mm512_set1_ps(b);
    __m512 ab = _mm512_mul_ps(a,bb);
    return ab;
}

clang will use a broadcast memory operand 如果 b 在内存中。

Answer 1

正如 Peter Cordes 所指出的，GCC 不允许您为不同的约束选项指定不同的模板。因此，我的解决方案是让汇编器根据所选的操作数选择正确的指令。

我没有支持 ZMM 寄存器的 GCC 版本，因此以下示例使用 XMM 寄存器和一些不存在的指令来演示如何实现您正在寻找的内容。

typedef __attribute__((vector_size(16))) float v4sf;

v4sf
foo(v4sf a, float b) {
    v4sf ret;
    asm(".ifndef isxmm\n\t"
        ".altmacro\n\t"
        ".macro ifxmm operand, rnum\n\t"
        ".ifc \"\operand\",\"%%xmm\rnum\"\n\t"
        ".set isxmm, 1\n\t"
        ".endif\n\t"
        ".endm\n\t"
        ".endif\n\t"
        ".set isxmm, 0\n\t"
        ".set regnum, 0\n\t"
        ".rept 8\n\t"
        "ifxmm <%2>, %%regnum\n\t"
        ".set regnum, regnum + 1\n\t"
        ".endr\n\t"
        ".if isxmm\n\t"
        "alt-1 %1, %2, %0\n\t"
        ".else\n\t"
        "alt-2 %1, %2, %0\n\t"
        ".endif\n\t"
        : "=x,x" (ret)
        : "x,x" (a), "x,m" (b));
    return ret;
}


v4sf
bar(v4sf a, v4sf b) {
    return foo(a, b[0]);
}

此示例应使用 gcc -m32 -msse -O3 进行编译，并且应生成两条类似于以下内容的汇编程序错误消息：

t103.c: Assembler messages:
t103.c:24: Error: no such instruction: `alt-2 %xmm0,4(%esp),%xmm0'
t103.c:22: Error: no such instruction: `alt-1 %xmm0,%xmm1,%xmm0'

这里的基本思想是汇编程序检查第二个操作数 (%2) 是 XMM 寄存器还是其他东西，大概是内存位置。由于 GNU 汇编程序不支持对字符串进行很多操作，因此在 .rept 循环中一次将第二个操作数与每个可能的 XMM 寄存器进行比较。 isxmm 宏用于将 %xmm 和寄存器号粘贴在一起。

对于您的具体问题，您可能需要像这样重写它：

__m512
mul_broad(__m512 a, float b) {
    __m512 ret;
    __m512 dummy;
    asm(".ifndef isxmm\n\t"
        ".altmacro\n\t"
        ".macro ifxmm operand, rnum\n\t"
        ".ifc \"\operand\",\"%%zmm\rnum\"\n\t"
        ".set isxmm, 1\n\t"
        ".endif\n\t"
        ".endm\n\t"
        ".endif\n\t"
        ".set isxmm, 0\n\t"
        ".set regnum, 0\n\t"
        ".rept 32\n\t"
        "ifxmm <%[b]>, %%regnum\n\t"
        ".set regnum, regnum + 1\n\t"
        ".endr\n\t"
        ".if isxmm\n\t"
        "vbroadcastss %x[b], %[b]\n\t"
        "vmulps %[a], %[b], %[ret]\n\t"
        ".else\n\t"
        "vmulps %[b] %{1to16%}, %[a], %[ret]\n\t"
        "# dummy = %[dummy]\n\t"
        ".endif\n\t"
        : [ret] "=x,x" (ret), [dummy] "=xm,x" (dummy)
        : [a] "x,xm" (a), [b] "m,[dummy]" (b));
    return ret;
}

具有内在函数和汇编的嵌入式广播

Embedded broadcasts with intrinsics and assembly

c

assembly

gcc

intrinsics

avx512