Einführung in die Programmierung mit C++

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1 Seite 1 Einführung in die Programmierung mit C Teil IV - Weiterführende Themen 16. SIMD Programmierung Was bedeutet SIMD Seite SIMD Single-Instruction, Multiple-Data, also eine Instruktion, mehrere Daten SIMD ist eine Erweiterung der Prozessoren, durch die man noch schnelleren Code schreiben kann, besonders für Multimedia, Spielen und 3D-Graphik Anwendungen. Viele moderne Mikroprozessoren (wie und PowerPC) besitzen inzwischen SIMD- Erweiterungen, das heißt spezielle zusätzliche Befehlssätze, die mit einem Befehlsaufruf gleichzeitig mehrere gleichartige Datensätze verarbeiten. Ein SIMD Register kann zb. 4 floating-point Variablen beinhalten. Mit den SIMD Erweiterungen kann man zb. 4 Multiplikationen oder 4 Additionen auf einmal berechnen.

2 SIMD Geschichte Seite 3 Der Erste Gebrauch von SIMD Anweisungen war in den vektorsupercomputern und wurde besonders von Cray in den siebzigen Jahren popularisiert. SIMD Anweisungen auf den universellen CPUs wurde ab 1994 populär geworden: HP s MA, 1994 einpackt zwei Shorts in 3-Bit Register. Sun VIS, 1994 umkonstruiert FP Register für Arrays von Bytes und Shorts. Befehle für MPEG Komprimierung. Intel MM, 1996 umkonstruiert für Arrays von Bytes, Shorts und Words. AltiVec, 1996 SIMD Vector Unit in PowerPC 3DNow!, 1998 Intel MM plus einpackt Floats MIPS V einpackt zwei Floats in Double Register. Intel Streaming SIMD (SSE), 1999 acht neue 18-Bit FP Register mit 70 Befehle less /proc/cpuinfo Seite 4 processor vendor_id type cpu family model model name stepping brand id cpu count apic id cpu MHz fpu flags : 0 : GenuineIntel : primary processor : 6 : 13 : Intel(R) (R) M processor 1.80GHz : 6 : 6 : 0 : 0 : 1794 : yes : fpu vme de pse tsc msr mce cx8 sep mtrr pge mca cmov pat clfl dtes acpi mmx fxsr sse sse ss tmi pbe tm est MM, die erste Vektorerweiterung liefert eine Reihe verpackte Ganzzahl Anweisungen, die acht 64-Bit MM Register verwenden. SSE addiert eine Reihe verpackten und skalaren single-precision Gleitkomma Anweisungen, und gebraucht acht 18-Bit MM Register. SSE addiert eine Reihe verpackten und skalaren double-precision Gleitkomma Anweisungen. Wie SSE benutzt SSE die MM Registerfile. #include mmintrin.h // mmx #include xmmintrin.h // sse #include emmintrin.h // sse Übersetzung mit: g mmmx msse msse Fundamentale SSE Datentypen int float[4] double[] m18i m18 m18d

3 Datentypen Seite 5 vector unsigned signed bool char short long vector pixel vector float vector double 18 bits 64 bits 3 bits 16 bits 8 bits Prozessorunterstützung Seite 6 III IV Intel M Core Duo D Athlon K7 AMD Athlon P Athlon 64 MM SSE SSE () SSE3 () () Sonstiges 3DNow! 3DNow! 3DNow!

4 Einige von SIMD-Anweisungen Seite 7 Gleitkomma Anweisungen (AltiVec und SSE) AltiVec SSE vec_add(a, b) _mm_add_ps(a, b) vec_and(a, b) _mm_and_ps(a, b) vec_madd(a, b, c) _mm_add_ps( _mm_mul_ps(a,b), c) vec_max(a, b) _mm_max_ps(a, b) vec_min(a, b) _mm_min_ps(a, b) vec_nmsub(a, b, c) _mm_sub_ps(c, _mm_mul_ps(a, b)) vec_or(a,b) _mm_or_ps(a, b) vec_re(a) _mm_rcp_ps(a) vec_rsqrte(a) _mm_rsqrt_ps(a) vec_sub(a,b) _mm_sub_ps(a,b) vec_xor(a,b) _mm_xor_ps(a,b) Ganzzahl Anweisungen (AltiVec und SSE) AltiVec SSE vec_add(a,b) _mm_add_epi8(a,b) vec_add(a,b) _mm_add_epi16(a,b) vec_add(a,b) _mm_add_epi3(a,b) vec_max(a,b) _mm_max_epu8(a,b) vec_max(a,b) _mm_max_epi16(a,b) vec_min(a,b) _mm_min_epu8(a,b) vec_min(a,b) _mm_min_epi16(a,b) vec_or(a,b) _mm_or_si18(a,b) vec_sub(a,b) _mm_sub_epi8(a,b) vec_sub(a,b) _mm_sub_epi16(a,b) vec_sub(a,b) _mm_sub_epi3(a,b) vec_xor(a,b) _mm_xor_si18(a,b) _mm_add_ps Seite 8 IA-3 Intel Architecture Software Developer s Manual, Vol. A

5 SIMD Aufgabe Seite 9 vec_a vec_b vec_c SIMD-Beispiel 1 Seite 10 #include "emmintrin.h" typedef union // Define a type we can look at either an array of ints or a vector int ivals[4]; // array of 4 integers m18i myvec; // vector of integers vecvar; vecvar vec_a, vec_b, vec_c; // define variables vec_a.myvec _mm_set1_epi3( ); // load into vec_a vec_b.myvec _mm_set_epi3( 10, 0, 30, 40 ); // load 4 values into vec_b vec_c.myvec _mm_add_epi3( vec_a.myvec, vec_b.myvec ); // call vector add function std::cout << "Result: " << "( " << vec_c.ivals[0] << ", " << vec_c.ivals[1] << ", " << vec_c.ivals[] << ", " << vec_c.ivals[3] << " )" << std::endl; g -msse o simd1 simd1.cpp./simd1.exe

6 Überladen von Operatoren: simd_int.h Seite 11 #ifndef SIMD_INT_H #define SIMD_INT_H #include "emmintrin.h" class simd_int public: m18i v; int operator[]( int i ) const return ( ( int* )&v )[i]; simd_int( ) simd_int( int a ) v _mm_set1_epi3( a ); simd_int( const simd_int &a ) *this a; simd_int( int a0, int a1, int a, int a3 ) v _mm_setr_epi3( a0, a1, a, a3 ); simd_int & operator( int a ) v _mm_set1_epi3( a ); return *this; simd_int & operator( const simd_int & a ) v _mm_add_epi3( v, a.v ); return *this; friend std::ostream & operator<<( std::ostream &s, const simd_int &vec) s << "( << (int)vec[0] << ", << (int)vec[1] << ", " << (int)vec[] << ", " << (int)vec[3] << " )"; return s; ; #endif // SIMD_INT_H SIMD-Beispiel Seite 1 #include "simd_int.h" simd_int vec_a, vec_b( 10, 0, 30, 40 ), vec_c; vec_c vec_a vec_b; std::cout << "Results: " << vec_c << std::endl; g -msse o simd simd.cpp./simd.exe

7 SIMD-Beispiel ohne/mit Operatorüberladen Seite 13 #include "emmintrin.h" typedef union int ivals[4]; m18i myvec; vecvar; vecvar vec_a, vec_b, vec_c; vec_a.myvec _mm_set1_epi3( ); vec_b.myvec _mm_set_epi3( 10, 0, 30, 40 ); vec_c.myvec _mm_add_epi3( vec_a.myvec, vec_b.myvec ); std::cout << "Result: " << "( << vec_c.ivals[0] << ", << vec_c.ivals[1] << ", " << vec_c.ivals[] << ", " << vec_c.ivals[3] << " )" << std::endl; #include "simd_int.h" simd_int vec_a, vec_b( 10, 0, 30, 40 ), vec_c; vec_c vec_a vec_b; std::cout << "Results: " << vec_c << std::endl;

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