From IA-32 to avx-512
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システムプログラミング会 http://connpass.com/event/34995/
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From IA-32 to avx-512
- 1. From IA-32 to AVX-512 システムプログラミング会 2016/7/2 光成滋生
- 2. • IA-32からAVX-512まで主にレジスタサイズの観点から ゆるゆると観察する小ネタ集 • SIMD成分は少なめ m(_ _)m 概要 2/30
- 3. • Intel初の32bit CPU • 8個の32bit汎用レジスタ eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, ebp, esp • もともと8個の16-bit汎用レジスタを拡張したもの • eaxの下位16bitがax • axの下位8bitがal • レジスタ間はmovで移動 • これが全ての"始まり"かもしれない i386（Intel 386） eax ax alah ; eax = 0x99887766のとき mov al, 12h ; eax = 0x99887712, ax = 0x7712 mov ah, 34h ; eax = 0x99883412, ax = 0x3412 3/30
- 4. • 命令のフォーマットの一つ • 8個のレジスタなので3bit • src（ソース）とdst（デスティネーション）それぞれ必要 • レジスタ間のときはmod = 0b11 ModRM 7 6 5 4 3 2 1 0 +------+------+------+------+------+------+------+------+ | mod | src | reg | +------+------+------+------+------+------+------+------+ 4/30
- 5. • 参考文献 • Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual • mov eax, ecxならeax = 0, ecx = 1なので ModRM = 0b11 001 000 = 0xc8だから8b c8 movの場合 89 /r MOV r/m32,r32 MR ; Move r32 to r/m32 >cat test.asm mov eax, ecx >nasm -l a.lst -f win32 test.asm >cat a.lst 1 00000000 89C8 mov eax, ecx 5/30
- 6. • 486DX • FPU内蔵タイプ • 8個の80bit浮動小数点数レジスタ st0, st1, ..., st7 • Pentium with MMX • 8個の64bit SIMDレジスタ mm0, ...., mm7 • 整数演算演算のみサポート • movd mm0, eaxなど • K6-2の3D Now! • AMDがMMXレジスタで浮動小数点数を扱えるように拡張 機能追加 6/30
- 7. • 8個の128-bit SIMDレジスタ • SSE<=>MMX間はmovdq2q, movq2dqなど • OSの対応が必要 • SSEレジスタの退避、復元が必要 • MMXレジスタはOSの対応は不要だった • なんで？ • FPUと共用 • 代わりにemms, femmsが必要 • MMXで壊した状態でFPUを使う前にリセット SSE 7/30
- 8. • elfバイナリに文字列を埋め込んでみる • https://github.com/herumi/misc/blob/master/emb/ • 構想20年 実装3時間w • 32bitバイナリa.outを用意する（手抜きで64bit不可） • a.outにhelloという文字列を埋め込んでembファイルを作る • もちろんembはa.outと同じ動きをする • embには"hello"が埋め込まれている 小ネタ >python embed-str.py a.out -o emb -s hello >python embed-str.py emb hello >python embed-str.py a.out // 何も表示されない 8/30
- 9. • 名前しか違わない • どこに埋め込んだ？ 全セクションを逆アセしてみる >objdump -D --no-show-raw-insn ./a.out > a.asm >objdump -D --no-show-raw-insn ./emb > b.asm >diff a.asm b.asm 2c2 < ./a.out: file format elf32i386 --- > ./emb: file format elf32i386 ./a.out: file format elf32i386 Disassembly of section .interp: 08048154 <.interp>: 8048154: das 8048155: insb (%dx),%es:(%edi) 8048156: imul $0x6c2d646c,0x2f(%edx),%esp 804815d: imul $0x6f732e78,0x75(%esi),%ebp 8048164: xor %cs:(%eax),%al Disassembly of section .note.ABI-tag: 08048168 <.note.ABI-tag>: 8048168: add $0x0,%al 804816a: add %al,(%eax) 804816c: adc %al,(%eax) ... 9/30
- 10. • movのフォーマット • add, adc, and, xor, or, sbb, sub, cmp, movなど • @shinhさんコメント • http://www1.cs.columbia.edu/~angelos/Papers/hydan.pdf オペランドによって複数の種類がる 89 /r MOV r/m32,r32 MR ; Move r32 to r/m32 8B /r MOV r32,r/m32 RM ; Move r/m32 to r32 89C8 mov eax, ecx 8BC1 mov eax, ecx 10/30
- 11. • axを操作したあとeaxを使うとペナルティ • 依存関係を切る • Pentum Pro以降のパイプラインの深くなったCPUで発生 • 最近はそれほど気にしなくてもよいかも • movzxで0拡張するかして幅を揃えるようにする パーシャルレジスタストール mov eax, [esi] mov al, 3 mov ecx, eax ; ペナルティ 11/30
- 12. • 16個の64bit汎用レジスタ（r8, ..., r15） • レジスタを特定するには4bit必要 • ModRMでは1bit足りない • rexプレフィクス登場 x64 7 6 5 4 3 2 1 0 +------+------+------+------+------+------+------+------+ | 0 1 0 0 | REX.w| REX.r| REX.x| REX.b| +------+------+------+------+------+------+------+------+ mov <b>, <r> ; b = [b3:b2:b1:b0], r = [r3:r2:r1:r0] | 0 1 0 0 | 1 !r3 0 !b3 | 0x89 | 1 1 b2 b1 b0 r2 r1 r0| 12/30
- 13. • 64bit環境で32bitレジスタを操作すると 上位32bitはクリアされる • mov ax, 0x1234のときのeaxと挙動が違う • 多分依存関係を切るため 32bitとの違い ; rax = 0x1234567812345678 mov eax, 0x11223344 ; rax = 0x0000000011223344 13/30
- 14. • 何もしない命令（0x90） • 32bit時代はxchg eax, eaxのエリアス • 64bit自体はeaxの上位がクリアされてしまう! • NOP = 0x90と定義 • mov eax, eaxも同様 • movzx, eax, al（ゼロ拡張と同じ動き） • コンパイラの生成コードを見て 無駄なことしてるなと勘違いしないように NOP 14/30
- 15. • 16個の256bit SIMDレジスタ（ymm0, ..., ymm15） • 下位128bitは xmmレジスタでアクセス • 3オペランドの命令体系 • addpd ymm0, ymm1, ymm2 • VEXプレフィクス • レジスタ指定に4bit x 3 + 1(xmmかymmか) = 13bit必要 • かなりややこしい AVX, AVX2 3byte VEX |7 6 5 4 3 2 1 0| |7 6 5 4 3 2 1 0| <code> ModRM... 0xC4 |R|X|B|m-m m m m| |W|v v v v|L|p p| 15/30
- 16. • SSEの命令はymmレジスタの上位をクリアしない レガシーSSEとAVX addpd xmm0, xmm1 ; ymm0の上位は変化せず vaddpd xmm0, xmm0, xmm1 ; ymm0の上位はクリア 16/30
- 17. • fmath（https://github.com/herumi/fmath） • 高速なexpの近似計算 • http://www.slideshare.net/herumi/exp-9499790 • 性能劣化 • VS2012からVS2013にしたときに標準関数が遅くなる場面 • もちろん普通に使うと速い 悩んだ問題 VS2012 VS2013 std::exp 62.2 349.8 fmath::exp 33.8 33.0 17/30
- 18. • ループ回数が7だと遅くならない • mainでaの値は使われない 最小限のコード（当時） const struct A { float a[8]; A() { const float x = log(2.0f); for (int i = 0; i < 8; i++) a[i] = x; } } a; int main() { ここでstd::expを関数ポインタ経由で呼び出すと遅くなる } 18/30
- 19. • 発現条件 • VC2013は8回のループを展開し vinsertf128というAVXの1命令に置き換えた • std::expはレガシーなSSEで書かれていた • 理由 • ymmレジスタの上位が0クリアでないと認識されて ペナルティを食らっていた • 解決方法 • コンパイラのバグ（もちろん修正済み） • AVXを使った後SSEを使う可能性があるときはvzeroupperで ゼロクリアしなければならない • ただ混在しないようにするのが理想 • 遅くなる関数自体には問題がないので分かりにくい 何が起こっていたのか 19/30
- 20. • Intel最適化マニュアル11章 • Mixing AVX Code with SSE Code CPUは状態を持っている 20/30
- 21. • Intelのエミュレータ • https://software.intel.com/en-us/articles/pre-release-license- agreement-for-intel-software-development-emulator-accept- end-user-license-agreement-and-download 検出ツール vzeroupperなし sde -ast -- nonzero-upper-penalty.exe # AVX_to_SSE_transition_instances: 102 # SSE_to_AVX_transition_instances: 102 vzeroupperあり sde -ast -- nonzero-upper-penalty.exe 1 # AVX_to_SSE_transition_instances: 0 # SSE_to_AVX_transition_instances: 0 21/30
- 22. • https://github.com/herumi/opti/blob/master/nonzero-upper- penalty.cpp • vzeroupperを呼ばないと1.8倍ぐらい遅くなる サンプル struct Code : public Xbyak::CodeGenerator { explicit Code(bool clear) { vxorpd(ym0, ym0); if (clear) vzeroupper(); mov(eax, N); L("@@"); addpd(xm0, xm0); sub(eax, 1); jnz("@b"); ret(); } }; 22/30
- 23. • Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual, Volume 3 System Programming Guide • 19章Performance-Monitoring Events Linuxのperf Event Umask mnemonic 説明 C1h 08h OTHER_ASSISTS.AVX_TO_SSE AVX-256からSSEへの切り替え回数 C1h 10h OTHER_ASSISTS.SSE_TO_AVX SSEからAVX-256への切り替え回数 perf stat -e r08c1 -e r10c1 ./nonzero-upper-penalty Performance counter stats for './ nonzero-upper-penalty ': 10000001 r08c1 9999978 r10c1 23/30
- 24. • 32個の512bit SIMDレジスタ（zmm0, ..., zmm31） • 5bit x 3 + 2（XかYかZか）= 17bit必要 • VEXでは足りないのでEVEX • 7個の64bitマスクレジスタ（k0, ..., k7） • 演算結果の一部をゼロにしたりできる • 指定が自由にできる • マスクレジスタ自体多少の演算ができる • kaddw k1, k2, k3 ; kshiftlq k1, k2, 5 ; etc. • 命令ごとに丸め方法を指定できる • nearest, toward -inf, toward +inf, round to zero • AVX-512は○オペランド? AVX-512 24/30
- 25. • 3オペランド? • 丸め方法の指定 • マスクレジスタの指定 • ゼロで埋めるか 例 vaddpd zmm10, zmm20, zmm30 vaddpd zmm10, zmm20, zmm30, {rd-sae} vaddpd zmm10{k2}, zmm20, zmm30, {rd-sae} vaddpd zmm10{k2}{z}, zmm20, zmm30, {rd-sae} 25/30
- 26. • とてもややこしい EVEX | EVEX | |0x62 P0 P1 P2| opcode ModRM/M [SIB] [Disp] [Imm] | 7 6 5 4 3 2 1 0 | P0 | R | X | B | R'| 0 | 0 | m | m | P1 | W | v | v | v | v | 1 | p | p | P2 | z | L'| L | b | V'| a | a | a | vaddpd [a4 a3 a2 a1 a0],[b4 b3 b2 b1 b0],[c4 c3 c2 c1 c0] 0x62|!a3 !c4 !c3 !a4 0001|1 b3 b2 b1 b0 101|0100 !b4 aaa| <code> |11 a2 a1 a0 c2 c1 c0| ... 26/30
- 27. • zmm0=[8:7:6:5:4:3:2:1], [rax] = [2:1]のときどうなるか ゼロクリアクイズ（問題） 命令 意味 結果 movsd xmm0, xmm0 最下位doubleを移動 movsd xmm0, [rax] 最下位doubleを移動 vmovsd xmm0, xmm0, xmm0 最下位doubleを移動 vmovsd xmm0, [rax] 最下位doubleを移動 addsd xmm0, xmm0 最下位doubleを加算 addpd xmm0, xmm0 double x 2を加算 vaddsd xmm0, xmm0, xmm0 最下位doubleを加算 vaddpd xmm0, xmm0, xmm0 double x 2を加算 vaddpd ymm0, ymm0, ymm0 double x 4を加算 27/30
- 28. 命令 意味 効果 movsd xmm0, xmm0 最下位doubleを移動 [8:7:6:5:4:3:2:1] movsd xmm0, [rax] 最下位doubleを移動 [8:7:6:5:4:3:0:1] vmovsd xmm0, xmm0, xmm0 最下位doubleを移動 [0:0:0:0:0:0:2:1] vmovsd xmm0, [rax] 最下位doubleを移動 [0:0:0:0:0:0:0:1] addsd xmm0, xmm0 最下位doubleを加算 [8:7:6:5:4:3:2:2] addpd xmm0, xmm0 double x 2を加算 [8:7:6:5:4:3:4:2] vaddsd xmm0, xmm0, xmm0 最下位doubleを加算 [0:0:0:0:0:0:2:2] vaddpd xmm0, xmm0, xmm0 double x 2を加算 [0:0:0:0:0:0:4:2] vaddpd ymm0, ymm0, ymm0 double x 4を加算 [0:0:0:0:8:6:4:2] ゼロクリアクイズ（答え） • zmm0=[8:7:6:5:4:3:2:1], [rax] = [2:1]のときどうなるか • https://github.com/herumi/opti/tree/master/upper-zero 28/30
- 29. • 512bit x 32 = 2048byte = 2KiB! • コンテキストスイッチの度に全部保存? • xsaveopt, xsavec • Vol. 1 13章「Managing State Using the XSAVE Feature Set」 • メモリコピーを減らす仕組み • 各レジスタが変更されたか否かのビット情報を保持 • その情報にしたがって必要なものだけ退避する命令 レジスタの退避・復元 29/30
- 30. • SIMDはテーブル引きに弱い • Haswellで登場（しかし使わない方が速いぐらいだった） • Skylakeでかなり改善された • AVX-512ではマスクレジスタが登場して大分使いやすくなっ た（ようだ） （おまけ）高速化されたgather命令 int tbl[16]; double a[16], b[16]; for (int i = 0; i < 16; i++) { b[i] = a[tbl[i]]; } vmovdqu zmm0, [rsp + tbl] kxnor k1, k0, k0 ; 全部1をたてる(c ← !(a ^ b)) vpgatherdd zmm2{k1}, [rax + zmm0 * 4] 30/30