SIMD no z13 - Conhecendo as novas funções Vetoriais do Mainframe por Flavio Buccianti

SIMD no z13 – Conhecendo as novas
funções Vetoriais do Mainframe.
©2015 Flavio C Buccianti
1
Proibida cópia ou divulgação sem
permissão escrita do CMG Brasil.

Tecnologia anunciada no z13
Em Janeiro de 2015 foi anunciada a máquina z Systems z13, o novo Mainframe da IBM.
Entre outras novidades foi anunciada a capacidade de processamento vetorial
 Processamento vetorial, possibilitando instruções tipo SIMD
• Suporte nativo pelos processadores da máquina
 Máximo de 141 processadores configuráveis
 Máximo de 10 TB de memória
 Cloud, Mobile, Analytics e Big Data
2

Tecnologia anunciada no z13
 Entre outras novidades, foi anunciada a capacidade de processamento vetorial
 SIMD – Single Instruction Multiple Data
• Permite que vários dados compartilhem um mesmo operando para
operações lógicas e aritméticas.
 139 novas instruções Vetoriais
• Vector Support
• Vector Integer
• Vector FP
• Vector String
 32 registradores vetoriais
• 0 a 15 são compartilhados com operações simples de ponto flutuante
• 16 a 31 são Vetoriais dedicados
3

AltiVec
AltiVec é um conjunto de instruções vetoriais/SIMD que manipulam tanto números de
ponto flutuante quanto inteiros.
Desenhadas entre 1996 e 1998 em conjunto pela Apple, IBM e Freescale (ex-Motorola
semiconductor).
A Apple foi a primeira usuária quando seus computadores usavam a plataforma Power G5.
Usado para multimídia, para aceleração de gráficos e vídeos.
A Adobe usou esses recursos para otimizar o processamento de imagens do Adobe
Photoshop rodando em Mac OSx para POWER.
A Sony lançou o Playstation 3 utilizando processadores Cell cujo interior é formado por um
processador PowerPC (PPE) e mais oito processadores sinergísticos (SPE), capazes de
executar instruções vetoriais e SIMD, acelerando a execução de cálculos e manuseio de
gráficos. Este processador também contém a tecnologia AltiVec.
O Novo processador do Z13, implementa o conceito do AltiVec com algumas mudanças e
extensões (IBM Z/OS XL C/C++ 2.11 Programming Guide pp. 553 - SC14-7315-01).
4

Operação Scalar
5
8 12 5 33 10 10 9 27
12 21 1 0 5 33 1 22
20 33 6 33 15 43 10 49
+ + + + + + + +
= = = = = = = =
t t+1 t+2 t+3 t+4 t+5 t+6 t+7
Operação Scalar (não vetorial e não SIMD)
Na operação Scalar, os elementos são individuias. Para executar a soma desse conjunto, devem-se
somar os elementos aos pares (A + B) e guardar o resultado num terceiro elemento ( C ) .
No exemplo acima, seriam usados 8 ciclos onde em cada ciclo, seria necessário carregar o
elemento A, carregar o elemento B efetuar a soma e guardar o resultado no elemento C.

SIMD – Single Instruction Multiple Data
6
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8
+
=
Vetor 1
Vetor 2
Vetor 3
Com a tecnologia vetorial, é possível colocar vários elementos dentro de um registrador vetorial e continuar a
mante-los isolados entre sí.
t

SIMD – Single Instruction Multiple Data
7
8 12 5 33 10 10 9 27
12 21 1 0 5 33 1 22
20 33 6 33 15 43 10 49
+
=
Vetor 1
Vetor 2
Vetor 3
Os dados do Vetor 1 são carregados numa operação só; idem para o Vetor 2.
A soma ocorrerá numa única operação (t). No final da operação, o Vetor 3 terá o conteúdo da soma de Vetor 1
+ Vetor 2 e os números resultantes continuarão isolados entre sí.
t

8
Slide extraído da apresentação IBM:
z13: End-to-end Mobile,Analytics and Cloud PlatformSession B01 / A10
Walter Klaey/ walter.klaey@ch.ibm.com
Europe IMS SWAT Team
IMS Technical Symposium 2015 - 16/3/2015

Registradores vetoriais
FP 0 or VR 0 (bits 0-63) VR 0 (bits 64-127)
VR 16 (bits 0 -127)
VR 17 (bits 0 -127)
VR 18 (bits 0 -127)
VR 19 (bits 0 -127)
VR 20 (bits 0 -127)
VR 21 (bits 0 -127)
VR 22 (bits 0 -127)
VR 23 (bits 0 -127)
VR 24 (bits 0 -127)
VR 25 (bits 0 -127)
VR 26 (bits 0 -127)
VR 27 (bits 0 -127)
VR 28 (bits 0 -127)
VR 29 (bits 0 -127)
VR 30 (bits 0 -127)
VR 31 (bits 0 -127)
0
15
31
Vetoriais
compartilhados com
Registradores FP
Vetoriais dedicados
9Proibida cópia ou divulgação sem

Registradores vetoriais
Formato e posição dos dados nos registradores vetoriais para operações SIMD
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Instruções assembler vetoriais
As 139 instruções Vector podem ser classificadas em quatro grupos:
• Vector Support Instructions (46): fazem operações do tipo gather, generate
mask, load, merge, pack, permute, replicate, scatter, select, sign, store e unpack.
• Vector Integer (66): fazem operações do tipo add, and, average, checksum,
element compare, compare, count, xor, galois field, load, maximum, multiply, nor,
or, population count, rotate, shift, subtract, sum e test under mask.
• Vector String (6): possibilita a aceleração do processamento de strings com
dados tipo character. As operações são do tipo find, isolate e string range
compare. Total de 6 instruções
• Vector Floating-Point (21): fazem operações do tipo add, compare, convert,
divide, load, multiply, perform sign operation, square root, subtract e test data.
• O manual z/Architecture Principles of Operation – SA22-7832-10, conhecido
como “POP”, traz nos capítulos 21 a 24, a descrição detalhada de todas as
instruções vetoriais.
11

Assembler
12

Vector Support Instructions (46):
 VECTOR GATHER ELEMENT
 VECTOR GENERATE BYTE MASK
 VECTOR GENERATE MASK
 VECTOR LOAD
 VECTOR LOAD AND REPLICATE
 VECTOR LOAD ELEMENT
 VECTOR LOAD ELEMENT IMMEDIATE
 VECTOR LOAD GR FROM VR ELEMENT
 VECTOR LOAD LOGICAL ELEMENT AND ZERO
 VECTOR LOAD MULTIPLE
 VECTOR LOAD TO BLOCK BOUNDARY
 VECTOR LOAD VR ELEMENT FROM GR
 VECTOR LOAD VR FROM GRS DISJOINT
 VECTOR LOAD WITH LENGTH
 VECTOR MERGE HIGH
 VECTOR MERGE LOW
 VECTOR PACK
13
 VECTOR PACK SATURATE
 VECTOR PACK LOGICAL SATURATE
 VECTOR PERMUTE
 VECTOR PERMUTE DOUBLEWORD IMMEDIATE
 VECTOR REPLICATE
 VECTOR REPLICATE IMMEDIATE
 VECTOR SCATTER ELEMENT
 VECTOR SELECT
 VECTOR SIGN EXTEND TO DOUBLEWORD
 VECTOR STORE
 VECTOR STORE ELEMENT
 VECTOR STORE MULTIPLE
 VECTOR STORE WITH LENGTH
 VECTOR UNPACK HIGH
 VECTOR UNPACK LOGICAL HIGH
 VECTOR UNPACK LOW
 VECTOR UNPACK LOGICAL LOW

Vector Integer (66):
 VECTOR ADD
 VECTOR ADD COMPUTE CARRY
 VECTOR ADD WITH CARRY
 VECTOR ADD WITH CARRY COMPUTE CARRY
 VECTOR AND
 VECTOR AND WITH COMPLEMENT
 VECTOR AVERAGE
 VECTOR AVERAGE LOGICAL
 VECTOR CHECKSUM
 VECTOR ELEMENT COMPARE
 VECTOR ELEMENT COMPARE LOGICAL
 VECTOR COMPARE EQUAL
 VECTOR COMPARE HIGH
 VECTOR COMPARE HIGH LOGICAL
 VECTOR COUNT LEADING ZEROS
 VECTOR COUNT TRAILING ZEROS
 VECTOR EXCLUSIVE OR
 VECTOR GALOIS FIELD MULTIPLY SUM
 VECTOR GALOIS FIELD MULTIPLY SUM AND ACCUMULATE
 VECTOR LOAD COMPLEMENT
 VECTOR LOAD POSITIVE
 VECTOR MAXIMUM
 VECTOR MAXIMUM LOGICAL
 VECTOR MINIMUM
 VECTOR MINIMUM LOGICAL
 VECTOR MULTIPLY AND ADD LOW
 VECTOR MULTIPLY AND ADD HIGH
 VECTOR MULTIPLY AND ADD LOGICAL HIGH
 VECTOR MULTIPLY AND ADD EVEN
 VECTOR MULTIPLY AND ADD LOGICAL EVEN
 VECTOR MULTIPLY AND ADD ODD
 VECTOR MULTIPLY AND ADD LOGICAL ODD
14
 VECTOR MULTIPLY HIGH
 VECTOR MULTIPLY LOGICAL HIGH
 VECTOR MULTIPLY LOW
 VECTOR MULTIPLY EVEN
 VECTOR MULTIPLY LOGICAL EVEN
 VECTOR MULTIPLY ODD
 VECTOR MULTIPLY LOGICAL ODD
 VECTOR NOR
 VECTOR OR
 VECTOR POPULATION COUNT
 VECTOR ELEMENT ROTATE LEFT LOGICAL
 VECTOR ELEMENT ROTATE AND INSERT UNDER MASK
 VECTOR ELEMENT SHIFT LEFT
 VECTOR ELEMENT SHIFT RIGHT ARITHMETIC
 VECTOR ELEMENT SHIFT RIGHT LOGICAL
 VECTOR SHIFT LEFT
 VECTOR SHIFT LEFT BY BYTE
 VECTOR SHIFT LEFT DOUBLE BY BYTE
 VECTOR SHIFT RIGHT ARITHMETIC
 VECTOR SHIFT RIGHT ARITHMETIC BY BYTE
 VECTOR SHIFT RIGHT LOGICAL
 VECTOR SHIFT RIGHT LOGICAL BY BYTE
 VECTOR SUBTRACT
 VECTOR SUBTRACT COMPUTE BORROW INDICATION
 VECTOR SUBTRACT WITH BORROW INDICATION
 VECTOR SUBTRACT WITH BORROW
 COMPUTE BORROW INDICATION
 VECTOR SUM ACROSS DOUBLEWORD
 VECTOR SUM ACROSS QUADWORD
 VECTOR SUM ACROSS WORD
 VECTOR TEST UNDER MASK

Vector String (6):
 VECTOR FIND ANY ELEMENT EQUAL
 VECTOR FIND ELEMENT EQUAL
 VECTOR FIND ELEMENT NOT EQUAL
 VECTOR ISOLATE STRING
 VECTOR STRING RANGE COMPARE
15

Vector Floating-Point (21):
 VECTOR FP ADD
 VECTOR FP COMPARE SCALAR
 VECTOR FP COMPARE AND SIGNAL SCALAR
 VECTOR FP COMPARE EQUAL
 VECTOR FP COMPARE HIGH
 VECTOR FP COMPARE HIGH OR EQUAL
 VECTOR FP CONVERT FROM FIXED 64-BIT
 VECTOR FP CONVERT FROM LOGICAL 64-BIT
 VECTOR FP CONVERT TO FIXED 64-BIT
 VECTOR FP CONVERT TO LOGICAL 64-BIT
 VECTOR FP DIVIDE
 VECTOR LOAD FP INTEGER
 VECTOR FP LOAD LENGTHENED
 VECTOR FP LOAD ROUNDED
 VECTOR FP MULTIPLY
 VECTOR FP MULTIPLY AND ADD
 VECTOR FP MULTIPLY AND SUBTRACT
 VECTOR FP PERFORM SIGN OPERATION
 VECTOR FP SQUARE ROOT
 VECTOR FP SUBTRACT
 VECTOR FP TEST DATA CLASS IMMEDIATE
16

17
Algumas operações vetoriais executam operações saturantes.
Saturação para signed binary integers, significa que se houver
um overflow, o resultado será convertido para o maior número
positivo. Se houver um underflow, o resultado será convertido
para o maior número negativo.
Saturação para unsigned binary integers, significa que se houver
um overflow, o resultado será convertido para o maior número
representável. Se houver um underflow, o resultado será
convertido para zero.

Instruções assembler vetoriais - exemplos
18
O Conteúdo de cada elemento do segundo operando, o registrador Vector (V2), é adicionado ao conteúdo de cada
elemento equivalente do terceiro operando, o registrador Vector (V3), e o resultado da soma é guardada no primeiro
operando, o registrador Vector (V1).
A quantidade e o tipo de elementos de cada operando (Vector Register) é determinado pelo valor especificado em M4:
Registrador VECTOR
(Vector Integer)
M4 Tamanho dos
elementos
0 Byte
1 Halfword
2 Word
3 Doubleword
4 Quadword
5-15 Reservado

19
Começando da esquerda para a direita, cada elemento do segundo operando é comparado por igualdade com cada
elemento do terceiro operando. Um primeiro resultado intermediário é criado a partir dessa comparação, com uma
indicação para cada elemento no segundo operando, se o elemento é igual a qualquer elemento no terceiro operando.
A quantidade e o tipo de elementos de cada operando (Vector Register) são determindados pelo valor especificado em M4.
O campo M5 é usado como indicador do resultado.
M4 Tamanho dos
elementos
0 Byte
1 Halfword
2 Word
3 Doubleword
4 Quadword
5-15 Reservado
(Vector String)VECTOR FIND ANY ELEMENT EQUAL
M5

20
Os elementos indexados nas posiçãos pares do segundo operando (V2) , são multiplicados pelos correspondentes
elementos indexados pares do terceiro operando (V3) e os resultados individuias das multiplicaçoes de cada elemento
serão colocados nas duplas correspondentes de operandos ímpar e par do primeiro operando (V1). Na instrução VECTOR
MULTIPLY EVEN, os elementos são tratados como signed binary integers.
A quantidade e o tipo de elementos de cada operando (Vector Register) são determindado pelo valor especificado em M4.
M4 Tamanho dos
elementos
0 Byte
1 Halfword
2 Word
3 Doubleword
4 Quadword
5-15 Reservado
(Vector Integer)VECTOR MULTIPLY EVEN

C/C++
21

Suporte no compilador IBM XL C/C++
22
O compilador XL C/C++ V2R1M1 para z/OS 2.1 inclui suporte à programação
utilizando recursos do Vector Facility for z/Architecture.
O compilador suporta processamento vetorial através de extensões na linguagem,
baseadas em APIs das especificações do AltiVec com algumas mudanças e extensões.
As extensões da linguagem para suporte às funções vetoriais são habilitadas
somente quando todas as seguintes condições forem satisfeitas:
 A opção ARCH(11) é especificada.
 A opção FLOAT(AFP(NOVOLATILE)) está em efeito.
 A opção VECTOR é especificada.
A publicação: z/OS XL C/C++ Programming Guide V2 R1 – SC14-7315-01, traz no
capítulo 35, todos os statements ou extensões da linguagem que exploram as
facilidades vetoriais do z13.

Suporte no compilador IBM XL C/C++
23
Variável Tipo Conteúdo Limites
vector unsigned char 16 unsigned char 0..255
vector signed char 16 signed char -128..127
vector bool char 16 unsigned char 0 (FALSE), 255 (TRUE)
vector unsigned short 8 unsigned short 0..65535
vector unsigned short int 8 signed short -32768..32767
vector signed short 8 signed short -32768..32767
vector signed short int 8 unsigned short 0 (FALSE), 65535 (TRUE)
vector bool short 8 unsigned short 0 (FALSE), 65535 (TRUE)
vector bool short int 4 unsigned int 0..232-1
vector unsigned int 4 unsigned int 0..232-1
vector signed int 4 signed int -231..231-1
vector bool int 4 unsigned int 0 (FALSE), 232-1 (TRUE)
vector unsigned long long 2 unsigned long long 0..264-1
vector signed long long 2 signed long long -263..263-1
vector bool long long 2 unsigned long long 0 (FALSE), 264-1 (TRUE)
vector double 2 double IEEE-754 double (64 bit)
precision floating-point
values

Exemplos em XL C/C++
24
vec_mule: Vector Multiply Even
d = vec_mule(a, b)
Retorna um vetor contendo o resultado das multiplicações feitas para cada elemento par
indexado do primeiro vetor especificado e seu correspondente par do segundo vetor
especificado, retornando um valor correspondente com o dobro do tamanho dos campos
originais.

COBOL
25

Enterprise Cobol 5.2 for Z/OS
26
Quando especificado option ARCH (11)
Explora as novas instruções do Vector Extension Facility (SIMD) para os statements de Cobol:
• INSPECT REPLACING
• INSPECT TALLYING
• 30X mais eficiência na execução dessas instruções

27
INSPECT
O statement INSPECT examina caracteres ou grupos de caracteres em um data item ou “string".
• INSPECT executa os seguintes procedimentos:
Conta as occorrências de um caractere específico (alfanumerico, DBCS, ou national-UTF-16) em um data item
(formats 1 e 3).
Conta as occorrências de caracteres específicos e preenche porções ou todo o data item com caracteres
específicos, como por exemplo, espaços ou zeros (formats 2 and 3).
Converte todas as occorrências de caracteres específicos de um data item por caracteres de substituição
fornecidos pelo usuário (format 4).

28

29

30

31

PL/I
32

Enterprise PL/I 4.5 for z/OS
33
z13 hardware exploitation foi implementado no compilador Enterprise PL/I for z/OS
através da opção ARCHITECTURE(11).
As otimizações proporcionam uma melhor performance para aplicações rodando no
servidor z13, sem que sejam requeridas alterações no código fonte.
Uma média de melhoria de 17% foi observada na performance em benchmarks para
programas “PL/I CPU-intensivos” quando rodando no z13 e comparando os resultados
com os mesmos testes no rodando no zEnterprise EC12.*
Obs.:
As melhorias de performance são baseadas em medidas tomadas nos laboratórios
internos da IBM, usando as opções ARCH(11) e OPT(3) do compilador.
Resultados de performance podem variar para aplicações específicas. Alguns fatores
que podem afetar a performance são: o código fonte e as opções do compilador.
*PL/I 4.5 Fact Sheet http://www-01.ibm.com/support/docview.wss?uid=swg21691853

34
Melhorias de performance:
Quando é especificado ARCH(11), o compilador gera um código que explora as novas
instruções vetoriais, se o algorítmo ou função forem elegíveis, após a compilação, à
instruções assembler que utilizam SIMD.
As funções SEARCH e VERIFY são as que mais se beneficiam dessas novas instruções.

35
SEARCH
SEARCH retorna um valor especificando a primeira posição num string onde aparece qualquer um dos caracter, bit,
graphic ou widechar de outro string. É possível também especificar a partir de qual posição deve-se iniciar a procura.
x especifica em qual string procurar pela ocorrência de qualquer um caracter, bit, graphic ou widechar presente em y.
Se x ou y forem um null string, o resultado é zero.
Se não houver nenhuma ocorrência de y em x, o resultado será zero.
n especifica a posição dentro de x onde dever ser iniciada a procura.

36
Exemplo:
dcl Source char value(’ Our PL/I wields the Power ’);
dcl Pos fixed bin(31);
/* Find occurrences of any of the characters ’P’,’o’,or ’w’ in source * /
Pos = search (Source, ’Pow’); /* returns 6 for the ’P’ */
Pos = search (Source, ’Pow’, Pos+1); /* returns 11 for the ’w’ */
Pos = search (Source, ’Pow’, Pos+1); /* returns 22 for the ’P’ */
Pos = search (Source, ’Pow’, Pos+1); /* returns 23 for the ’o’ */
Pos = search (Source, ’Pow’, Pos+1); /* returns 24 for the ’w’ */
No examplo acima, SEARCH retorna a posição onde qualquer um dos três caracteres (‘P’,’o’ ou ‘w’) aparecem na
frase:
’ Our PL/I wields the Power ’
1 6 11 22 23 24
Pos = index (source, ’Pow’,1); /* returns 22 for the ’Pow’ */
INDEX retorna a posição onde o string completo: ‘Pow’ aparece.

37
VERIFY
VERIFY retorna um valor indicando a posição em x, do caractere, widechar, gráfico ou bit mais à esquerda que
não está em y. É possível também especificar a partir de qual posição do x deve ser procurado.
Se todos os caracteres, widechars, graphics ou bits em x estiverem em y também, será restorndo um valor de
zero.
Se x é um null string, um valor de zero é retornado. Se x não é o null string e y é o null string, o valor retornado
será o conteúdo de n .
Valor padrão de n é um.
x String
y String
n Especifica o local dentro do String onde a procura deve ser iniciada.

38
Exemplo:
X = ’_ _a b’; /* Two blanks in each space */
Y = ’ ’; /* One blank */
N = 1;
I = verify(X,Y,N); /* I = 3 */
do while (I > 0);
display ( ’Nonblank at position ’ { trim(I) );
N = I + 1;
I = verify(X,Y,N);
end;
Depois da primeira passagem pelo loop do while-end N=4 e VERIFY(X,Y,N) retorna 6.
Depois da segunda passagem, N=7 (LENGTH(x)+1), VERIFY(X,Y,N) agora retorna 0 e o loop termina.

Obrigado !
39
Flavio C Buccianti
flaviocb@gmail.com

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