使用 __builtin_msa_ld_* 后如何转换为无符号向量类型
How to cast to unsigned vector type after using __builtin_msa_ld_*
我正在评估 MIPS SIMD Architecture (MSA) programming using the Codescape GCC Toolchain。关于 MSA 和内置函数的信息不多。 （据我所知只有两个 MSA cpu，P5600 和 Warrior I6400，它们在几年前首次上市）。
我的测试程序如下。
#include <msa.h>
#include <stdint.h>
#define ALIGN16 __attribute__((aligned(16)))
int main(int argc, char* argv[])
{
ALIGN16 uint32_t a[] = {64, 128, 256, 512};
ALIGN16 uint32_t b[] = {1024, 2048, 4096, 8192};
ALIGN16 uint32_t c[4];
v4u32 va = __builtin_msa_ld_w (a, 0);
v4u32 vb = __builtin_msa_ld_w (b, 0);
v4u32 vc = __builtin_msa_adds_u_w (va, vb);
__builtin_msa_st_w (vc, c, 0);
return 0;
}
编译程序会导致如下所示的错误。问题是 vector loads return a signed vector 但我的向量是无符号的。我对向量存储有类似的问题。
// The 4 vector loads provided through builtins
v16i8 __builtin_msa_ld_b (void *, imm_n512_511); // byte
v8i16 __builtin_msa_ld_h (void *, imm_n1024_1022); // half word
v4i32 __builtin_msa_ld_w (void *, imm_n2048_2044); // word
v2i64 __builtin_msa_ld_d (void *, imm_n4096_4088); // double word
（imm_n512_511 和朋友在 6.59.16 MIPS SIMD Architecture (MSA) Support 的 GCC 手册中讨论。
我在 MIPS SIMD Architecture 阅读了 MIPS 论文（？），但它没有讨论如何在整数向量类型之间进行转换。有很多浮点数转换指令，但没有整数类型。
简单强制转换是整数向量类型之间转换的首选方式吗？或者还有什么我应该做的吗？
MSA$ mips-img-linux-gnu-gcc.exe -mmsa test.c -c
test.c: In function 'main':
test.c:12:2: note: use -flax-vector-conversions to permit conversions between ve
ctors with differing element types or numbers of subparts
v4u32 va = __builtin_msa_ld_w (a, 0);
^~~~~
test.c:12:13: error: incompatible types when initializing type 'v4u32 {aka __vec
tor(4) unsigned int}' using type '__vector(4) int'
v4u32 va = __builtin_msa_ld_w (a, 0);
^~~~~~~~~~~~~~~~~~
test.c:13:13: error: incompatible types when initializing type 'v4u32 {aka __vec
tor(4) unsigned int}' using type '__vector(4) int'
v4u32 vb = __builtin_msa_ld_w (b, 0);
^~~~~~~~~~~~~~~~~~
test.c:16:22: error: incompatible type for argument 1 of '__builtin_msa_st_w'
__builtin_msa_st_w (vc, c, 0);
^~
test.c:16:22: note: expected '__vector(4) int' but argument is of type 'v4u32 {a
ka __vector(4) unsigned int}'
要么使用强制转换和 -flax-vector-conversions，要么使用联合类型来表示向量寄存器并显式处理该联合类型。 GCC 明确支持这种形式的类型双关。
例如，您可以声明一个 msa128 类型，
typedef union __attribute__ ((aligned (16))) {
v2u64 u64;
v2i64 i64;
v2f64 f64;
v4u32 u32;
v4i32 i32;
v4f32 f32;
v8u16 u16;
v8i16 i16;
v16u8 u8;
v16i8 i8;
} msa128;
然后让您的代码在 msa128 类型上明确工作。您的示例程序可以写成
uint32_t a[4] = { 64, 128, 256, 512 };
uint32_t b[4] = { 1024, 2048, 4096, 8192 };
uint32_t c[4];
msa128 va, vb, vc;
va.i32 = __builtin_msa_ld_w(a, 0);
vb.i32 = __builtin_msa_ld_w(b, 0);
vc.u32 = __builtin_msa_adds_u_w(va.u32, vb.u32);
__builtin_msa_st_w(vc.i32, c, 0);
显然，记住需要使用的确切类型变得非常烦人，因此一些静态内联辅助函数肯定会派上用场：
static inline msa128 msa128_load64(const void *from, const int imm)
{ return (msa128){ .i64 = __builtin_msa_ld_d(from, imm); } }
static inline msa128 msa128_load32(const void *from, const int imm)
{ return (msa128){ .i32 = __builtin_msa_ld_w(from, imm); } }
static inline msa128 msa128_load16(const void *from, const int imm)
{ return (msa128){ .i16 = __builtin_msa_ld_h(from, imm); } }
static inline msa128 msa128_load8(const void *from, const int imm)
{ return (msa128){ .i8 = __builtin_msa_ld_b(from, imm); } }
static inline void msa128_store64(const msa128 val, void *to, const int imm)
{ __builtin_msa_st_d(val.i64, to, imm); }
static inline void msa128_store32(const msa128 val, void *to, const int imm)
{ __builtin_msa_st_w(val.i32, to, imm); }
static inline void msa128_store16(const msa128 val, void *to, const int imm)
{ __builtin_msa_st_h(val.i16, to, imm); }
static inline void msa128_store8(const msa128 val, void *to, const int imm)
{ __builtin_msa_st_b(val.i8, to, imm); }
例如二进制的AND、OR、NOR、XOR运算为
static inline msa128 msa128_and(const msa128 a, const msa128 b)
{ return (msa128){ .u8 = __builtin_msa_and_v(a, b) }; }
static inline msa128 msa128_or(const msa128 a, const msa128 b)
{ return (msa128){ .u8 = __builtin_msa_or_v(a, b) }; }
static inline msa128 msa128_nor(const msa128 a, const msa128 b)
{ return (msa128){ .u8 = __builtin_msa_nor_v(a, b) }; }
static inline msa128 msa128_xor(const msa128 a, const msa128 b)
{ return (msa128){ .u8 = __builtin_msa_xor_v(a, b) }; }
创建一些宏来表示数组形式的向量可能不会有什么坏处：
#define MSA128_U64(...) ((msa128){ .u64 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_I64(...) ((msa128){ .i64 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_F64(...) ((msa128){ .f64 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_U32(...) ((msa128){ .u32 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_I32(...) ((msa128){ .i32 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_F32(...) ((msa128){ .f32 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_U16(...) ((msa128){ .u16 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_I16(...) ((msa128){ .i16 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_U8(...) ((msa128){ .u8 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_I8(...) ((msa128){ .i8 = { __VA_ARGS__ }})
我建议这种特定于 GCC 的方法的原因是内置函数无论如何都是特定于 GCC 的。除了联合类型之外，它与 GCC 在 <immintrin.h>.
中实现 Intel/AMD 向量内在函数的方式非常接近
这是一个同时适用于 C 和 C++ 的替代方案。它对寄存器变量执行 memcpy。内联函数借用了 ARM NEON 支持。 ARM 为 NEON 向量提供转换，例如 vreinterpretq_u64_u8。函数上的 inline 需要 C99。
#include <msa.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
inline v4i32 reinterpretq_i32_u32(const v4u32 val) {
v4i32 res;
memcpy(&res, &val, sizeof(res));
return res;
}
inline v4u32 reinterpretq_u32_i32(const v4i32 val) {
v4u32 res;
memcpy(&res, &val, sizeof(res));
return res;
}
#define ALIGN16 __attribute__((aligned(16)))
int main(int argc, char* argv[])
{
ALIGN16 uint32_t a[] = {64, 128, 256, 512};
ALIGN16 uint32_t b[] = {1024, 2048, 4096, 8192};
ALIGN16 uint32_t c[4];
v4u32 va = reinterpretq_u32_i32(__builtin_msa_ld_w (a, 0));
v4u32 vb = reinterpretq_u32_i32(__builtin_msa_ld_w (b, 0));
v4u32 vc = __builtin_msa_adds_u_w (va, vb);
__builtin_msa_st_w (reinterpretq_i32_u32(vc), c, 0);
return 0;
}
并在 -O3 处编译（在 -Wall -Wextra 处是干净的）：
MSA$ mips-img-linux-gnu-gcc.exe -O3 -mmsa test.c -c
MSA$
反汇编看起来像是通过了嗅探测试：
MSA$ mips-img-linux-gnu-objdump.exe --disassemble test.o
test.o: file format elf32-tradbigmips
Disassembly of section .text:
00000000 <main>:
0: 27bdffc8 addiu sp,sp,-56
4: 3c020000 lui v0,0x0
8: 24420000 addiu v0,v0,0
c: 78001062 ld.w $w1,0(v0)
10: 3c020000 lui v0,0x0
14: 24420000 addiu v0,v0,0
18: 78001022 ld.w $w0,0(v0)
1c: 79c10010 adds_u.w $w0,$w0,$w1
20: 7802e826 st.w $w0,8(sp)
24: 93a2000b lbu v0,11(sp)
28: 03e00009 jr ra
2c: 27bd0038 addiu sp,sp,56
为了完整性，GCC 6.3.0：
MSA$ mips-img-linux-gnu-gcc.exe --version
mips-img-linux-gnu-gcc.exe (Codescape GNU Tools 2017.10-05 for MIPS IMG Linux) 6.3.0
Copyright (C) 2016 Free Software Foundation, Inc.
我正在评估 MIPS SIMD Architecture (MSA) programming using the Codescape GCC Toolchain。关于 MSA 和内置函数的信息不多。 （据我所知只有两个 MSA cpu，P5600 和 Warrior I6400，它们在几年前首次上市）。
我的测试程序如下。
#include <msa.h>
#include <stdint.h>
#define ALIGN16 __attribute__((aligned(16)))
int main(int argc, char* argv[])
{
ALIGN16 uint32_t a[] = {64, 128, 256, 512};
ALIGN16 uint32_t b[] = {1024, 2048, 4096, 8192};
ALIGN16 uint32_t c[4];
v4u32 va = __builtin_msa_ld_w (a, 0);
v4u32 vb = __builtin_msa_ld_w (b, 0);
v4u32 vc = __builtin_msa_adds_u_w (va, vb);
__builtin_msa_st_w (vc, c, 0);
return 0;
}
编译程序会导致如下所示的错误。问题是 vector loads return a signed vector 但我的向量是无符号的。我对向量存储有类似的问题。
// The 4 vector loads provided through builtins
v16i8 __builtin_msa_ld_b (void *, imm_n512_511); // byte
v8i16 __builtin_msa_ld_h (void *, imm_n1024_1022); // half word
v4i32 __builtin_msa_ld_w (void *, imm_n2048_2044); // word
v2i64 __builtin_msa_ld_d (void *, imm_n4096_4088); // double word
（imm_n512_511 和朋友在 6.59.16 MIPS SIMD Architecture (MSA) Support 的 GCC 手册中讨论。
我在 MIPS SIMD Architecture 阅读了 MIPS 论文（？），但它没有讨论如何在整数向量类型之间进行转换。有很多浮点数转换指令，但没有整数类型。
简单强制转换是整数向量类型之间转换的首选方式吗？或者还有什么我应该做的吗？
MSA$ mips-img-linux-gnu-gcc.exe -mmsa test.c -c
test.c: In function 'main':
test.c:12:2: note: use -flax-vector-conversions to permit conversions between ve
ctors with differing element types or numbers of subparts
v4u32 va = __builtin_msa_ld_w (a, 0);
^~~~~
test.c:12:13: error: incompatible types when initializing type 'v4u32 {aka __vec
tor(4) unsigned int}' using type '__vector(4) int'
v4u32 va = __builtin_msa_ld_w (a, 0);
^~~~~~~~~~~~~~~~~~
test.c:13:13: error: incompatible types when initializing type 'v4u32 {aka __vec
tor(4) unsigned int}' using type '__vector(4) int'
v4u32 vb = __builtin_msa_ld_w (b, 0);
^~~~~~~~~~~~~~~~~~
test.c:16:22: error: incompatible type for argument 1 of '__builtin_msa_st_w'
__builtin_msa_st_w (vc, c, 0);
^~
test.c:16:22: note: expected '__vector(4) int' but argument is of type 'v4u32 {a
ka __vector(4) unsigned int}'
要么使用强制转换和 -flax-vector-conversions，要么使用联合类型来表示向量寄存器并显式处理该联合类型。 GCC 明确支持这种形式的类型双关。
例如，您可以声明一个 msa128 类型，
typedef union __attribute__ ((aligned (16))) {
v2u64 u64;
v2i64 i64;
v2f64 f64;
v4u32 u32;
v4i32 i32;
v4f32 f32;
v8u16 u16;
v8i16 i16;
v16u8 u8;
v16i8 i8;
} msa128;
然后让您的代码在 msa128 类型上明确工作。您的示例程序可以写成
uint32_t a[4] = { 64, 128, 256, 512 };
uint32_t b[4] = { 1024, 2048, 4096, 8192 };
uint32_t c[4];
msa128 va, vb, vc;
va.i32 = __builtin_msa_ld_w(a, 0);
vb.i32 = __builtin_msa_ld_w(b, 0);
vc.u32 = __builtin_msa_adds_u_w(va.u32, vb.u32);
__builtin_msa_st_w(vc.i32, c, 0);
显然，记住需要使用的确切类型变得非常烦人，因此一些静态内联辅助函数肯定会派上用场：
static inline msa128 msa128_load64(const void *from, const int imm)
{ return (msa128){ .i64 = __builtin_msa_ld_d(from, imm); } }
static inline msa128 msa128_load32(const void *from, const int imm)
{ return (msa128){ .i32 = __builtin_msa_ld_w(from, imm); } }
static inline msa128 msa128_load16(const void *from, const int imm)
{ return (msa128){ .i16 = __builtin_msa_ld_h(from, imm); } }
static inline msa128 msa128_load8(const void *from, const int imm)
{ return (msa128){ .i8 = __builtin_msa_ld_b(from, imm); } }
static inline void msa128_store64(const msa128 val, void *to, const int imm)
{ __builtin_msa_st_d(val.i64, to, imm); }
static inline void msa128_store32(const msa128 val, void *to, const int imm)
{ __builtin_msa_st_w(val.i32, to, imm); }
static inline void msa128_store16(const msa128 val, void *to, const int imm)
{ __builtin_msa_st_h(val.i16, to, imm); }
static inline void msa128_store8(const msa128 val, void *to, const int imm)
{ __builtin_msa_st_b(val.i8, to, imm); }
例如二进制的AND、OR、NOR、XOR运算为
static inline msa128 msa128_and(const msa128 a, const msa128 b)
{ return (msa128){ .u8 = __builtin_msa_and_v(a, b) }; }
static inline msa128 msa128_or(const msa128 a, const msa128 b)
{ return (msa128){ .u8 = __builtin_msa_or_v(a, b) }; }
static inline msa128 msa128_nor(const msa128 a, const msa128 b)
{ return (msa128){ .u8 = __builtin_msa_nor_v(a, b) }; }
static inline msa128 msa128_xor(const msa128 a, const msa128 b)
{ return (msa128){ .u8 = __builtin_msa_xor_v(a, b) }; }
创建一些宏来表示数组形式的向量可能不会有什么坏处：
#define MSA128_U64(...) ((msa128){ .u64 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_I64(...) ((msa128){ .i64 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_F64(...) ((msa128){ .f64 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_U32(...) ((msa128){ .u32 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_I32(...) ((msa128){ .i32 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_F32(...) ((msa128){ .f32 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_U16(...) ((msa128){ .u16 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_I16(...) ((msa128){ .i16 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_U8(...) ((msa128){ .u8 = { __VA_ARGS__ }})
#define MSA128_I8(...) ((msa128){ .i8 = { __VA_ARGS__ }})
我建议这种特定于 GCC 的方法的原因是内置函数无论如何都是特定于 GCC 的。除了联合类型之外，它与 GCC 在 <immintrin.h>.
这是一个同时适用于 C 和 C++ 的替代方案。它对寄存器变量执行 memcpy。内联函数借用了 ARM NEON 支持。 ARM 为 NEON 向量提供转换，例如 vreinterpretq_u64_u8。函数上的 inline 需要 C99。
#include <msa.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
inline v4i32 reinterpretq_i32_u32(const v4u32 val) {
v4i32 res;
memcpy(&res, &val, sizeof(res));
return res;
}
inline v4u32 reinterpretq_u32_i32(const v4i32 val) {
v4u32 res;
memcpy(&res, &val, sizeof(res));
return res;
}
#define ALIGN16 __attribute__((aligned(16)))
int main(int argc, char* argv[])
{
ALIGN16 uint32_t a[] = {64, 128, 256, 512};
ALIGN16 uint32_t b[] = {1024, 2048, 4096, 8192};
ALIGN16 uint32_t c[4];
v4u32 va = reinterpretq_u32_i32(__builtin_msa_ld_w (a, 0));
v4u32 vb = reinterpretq_u32_i32(__builtin_msa_ld_w (b, 0));
v4u32 vc = __builtin_msa_adds_u_w (va, vb);
__builtin_msa_st_w (reinterpretq_i32_u32(vc), c, 0);
return 0;
}
并在 -O3 处编译（在 -Wall -Wextra 处是干净的）：
MSA$ mips-img-linux-gnu-gcc.exe -O3 -mmsa test.c -c
MSA$
反汇编看起来像是通过了嗅探测试：
MSA$ mips-img-linux-gnu-objdump.exe --disassemble test.o
test.o: file format elf32-tradbigmips
Disassembly of section .text:
00000000 <main>:
0: 27bdffc8 addiu sp,sp,-56
4: 3c020000 lui v0,0x0
8: 24420000 addiu v0,v0,0
c: 78001062 ld.w $w1,0(v0)
10: 3c020000 lui v0,0x0
14: 24420000 addiu v0,v0,0
18: 78001022 ld.w $w0,0(v0)
1c: 79c10010 adds_u.w $w0,$w0,$w1
20: 7802e826 st.w $w0,8(sp)
24: 93a2000b lbu v0,11(sp)
28: 03e00009 jr ra
2c: 27bd0038 addiu sp,sp,56
为了完整性，GCC 6.3.0：
MSA$ mips-img-linux-gnu-gcc.exe --version
mips-img-linux-gnu-gcc.exe (Codescape GNU Tools 2017.10-05 for MIPS IMG Linux) 6.3.0
Copyright (C) 2016 Free Software Foundation, Inc.