LoginSignup
7
1

Delete article

Deleted articles cannot be recovered.

Draft of this article would be also deleted.

Are you sure you want to delete this article?

More than 3 years have passed since last update.

ひとりNEONAdvent Calendar 2020

Day 3
@tomoaki_teshima(Aki Teshima)

add (1) -加算命令系-

Posted at

はじめに

  • この記事はひとりNEONアドベントカレンダー2020 3日目の記事です
  • 昨日はサンプルコードでお試し、な感じだったが、今日から命令を選んで紹介していく
  • 今日は基本中の基本、加算命令の一部を紹介する。

add1.png

  • いきなりバカでかい図を出したが、全部列挙するとアホみたいにadd命令とその仲間たちがたくさんあるので、suffixである程度グルーピングした。

  • 次のような図は、
    vadd_sample.png

  • 以下のような命令をまとめた表記とした。

vaddq_s8
vaddq_s16
vaddq_s32
vaddq_s64
vaddq_u8
vaddq_u16
vaddq_u32
vaddq_u64
vaddq_f16
vaddq_f32
vaddq_f64
  • 以下のように、add命令は種類がたくさんある
  $ grep ^v.*add /usr/lib/gcc/aarch64-linux-gnu/7.5.0/include/arm_neon.h | cut -f 1 -d _ | sort | uniq -c 
     11 vadd
      2 vaddd
     12 vaddhn
     12 vaddl
      6 vaddlv
      6 vaddlvq
     11 vaddq
      7 vaddv
     10 vaddvq
     12 vaddw
      6 vhadd
      6 vhaddq
      8 vpadd
      3 vpaddd
      6 vpaddl
      6 vpaddlq
     11 vpaddq
      1 vpadds
      8 vqadd
      2 vqaddb
      2 vqaddd
      2 vqaddh
      8 vqaddq
      2 vqadds
     12 vraddhn
      6 vrhadd
      6 vrhaddq
      4 vsqadd
      1 vsqaddb
      1 vsqaddd
      1 vsqaddh
      4 vsqaddq
      1 vsqadds
      4 vuqadd
      1 vuqaddb
      1 vuqaddd
      1 vuqaddh
      4 vuqaddq
      1 vuqadds
  • 今日はこの中から、vadd、vqadd、vaddl、vaddwを紹介する

vadd

  • 2日目で触れたが、vadd命令とvaddq命令は64bit/128bitの幅の違いだけである。
  • vadd命令は整数型、浮動小数点型どれでも加算する。
    • なお、vadd_f16およびvaddq_f16命令だけはArm v8.2命令セットで追加された拡張命令で、半精度浮動小数点数のまま加算ができる命令である。
  • 次節のvqaddで触れるが、加算結果がオーバーフローする場合はオーバーフローした分だけが格納される
vaddq.cpp
    unsigned char src0[] = {200,201,202,203,204,205,206,207,208,209,210,211,212,213,214,215};
    unsigned char src1[] = {100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,115};
    unsigned char dst [] = {  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0};
    uint8x16_t s0 = vld1q_u8(src0);
    uint8x16_t s1 = vld1q_u8(src1);
    uint8x16_t d  = vaddq_u8(s0, s1); // ここで足し算
  • 演算結果
0       200      100     44
1       201      101     46
2       202      102     48
3       203      103     50
4       204      104     52
5       205      105     54
6       206      106     56
7       207      107     58
8       208      108     60
9       209      109     62
10      210      110     64
11      211      111     66
12      212      112     68
13      213      113     70
14      214      114     72
15      215      115     74
  • 例えば、最初の要素は200+100=300と、演算結果が符号なし8bit整数の最大値255を超えるが、演算結果は300 % 256 = 44が格納される
  • また、vadd命令は、ベクトルでなく、単体の64bit整数を計算する命令（つまり厳密には SI M D命令ではない）vaddd_s64、vaddd_u64もあり、それぞれ符号あり/なし64bit整数を計算する

vqadd

  • vqdd命令は飽和加算命令で、加算結果がオーバーフローした際、最大値もしくは最小値でクランプする
vqaddq.cpp
    unsigned char src0[] = {200,201,202,203,204,205,206,207,208,209,210,211,212,213,214,215};
    unsigned char src1[] = {100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,115};
    unsigned char dst [] = {  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0};
    uint8x16_t s0 = vld1q_u8(src0);
    uint8x16_t s1 = vld1q_u8(src1);
    uint8x16_t d  = vqaddq_u8(s0, s1); // ここで足し算
  • このサンプルコードでは演算結果はすべて符号なし8bit整数の最大値256を超えるが、vqadd命令では演算結果を255に丸める
  • また、符号あり型の場合は、マイナスの演算結果も最も小さい値に丸め込まれる(例:int8_t型ならば-128)
  • 演算結果
0       200      100     255
1       201      101     255
2       202      102     255
3       203      103     255
4       204      104     255
5       205      105     255
6       206      106     255
7       207      107     255
8       208      108     255
9       209      109     255
10      210      110     255
11      211      111     255
12      212      112     255
13      213      113     255
14      214      114     255
15      215      115     255
  • また、vqadd命令には、8bit/16bit/32bit/64bitそれぞれの符号あり/なし整数型単体を計算する命令（つまり厳密にはSI M D命令はない）vqaddb_s8、vqaddh_s16、vqadds_s32、vqaddd_s64、vqaddb_u8、vqaddh_u16、vqadds_u32、vqaddd_u64が存在する
  • 多分、末尾のアルファベットはそれぞれByte、Half word、Single word、Double word を表してるのだと推察する。
  • 参考までに、筆者がよく使うOpenCVでも、内部にNEON実装があり、これによれば
    • u8``s8``u16``s16では飽和加算(vqadd)命令を使う
    • それ以外(s32、u32、s64、u64と浮動小数点型)では通常の加算命令(vadd)命令を使う
    • もともと浮動小数点数型には飽和加算命令が無いのだが、32bit/64bit整数型でもオーバーフローを気にしない実装となっている。
intrin_neon.hpp
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(+, v_uint8x16, vqaddq_u8)    // 飽和加算命令
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(-, v_uint8x16, vqsubq_u8)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(+, v_int8x16, vqaddq_s8)     // 飽和加算命令
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(-, v_int8x16, vqsubq_s8)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(+, v_uint16x8, vqaddq_u16)   // 飽和加算命令
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(-, v_uint16x8, vqsubq_u16)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(+, v_int16x8, vqaddq_s16)    // 飽和加算命令
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(-, v_int16x8, vqsubq_s16)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(+, v_int32x4, vaddq_s32)     // 加算命令
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(-, v_int32x4, vsubq_s32)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(*, v_int32x4, vmulq_s32)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(+, v_uint32x4, vaddq_u32)    // 加算命令
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(-, v_uint32x4, vsubq_u32)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(*, v_uint32x4, vmulq_u32)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(+, v_float32x4, vaddq_f32)   // 加算命令
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(-, v_float32x4, vsubq_f32)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(*, v_float32x4, vmulq_f32)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(+, v_int64x2, vaddq_s64)     // 加算命令
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(-, v_int64x2, vsubq_s64)
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(+, v_uint64x2, vaddq_u64)    // 加算命令
OPENCV_HAL_IMPL_NEON_BIN_OP(-, v_uint64x2, vsubq_u64)

vaddl

  • vaddl命令は、64bit幅のレジスタ2つを引数に取り、128bitレジスタを結果として返す
  • 加算結果がオーバーフローしないように、出力結果の各要素は、入力レジスタの各要素の倍の幅を持つ
    • 結果、取りうる引数は符号あり/なしの整数型の8、16、32bitの合計6種類
addl.cpp
    int8_t src0[] = {100,101,102,103,-127,-126,-125,-124,};
    int8_t src1[] = { 50, 50, 50, 50, -10, -10, -10, -10,};
    int8x8_t  vsrc0 = vld1_s8(src0);
    int8x8_t  vsrc1 = vld1_s8(src1);
    int16x8_t vdst  = vaddl_s8(vsrc0, vsrc1);
  • 演算結果
0    100     50     150
1    101     50     151
2    102     50     152
3    103     50     153
4    -127    -10    -137
5    -126    -10    -136
6    -125    -10    -135
7    -124    -10    -134
  • 入力は符号あり8bit整数型だが、計算結果はその範囲を超えている
  • しかし、演算の結果、各要素は16bit整数型に変わったため、演算結果にオーバーフローの影響は出ていない

vaddw

  • vaddl命令に非常によく似ているが、引数2つの型が最初から違うのが特徴
arm_neon.h
int16x8_t
vaddw_s8 (int16x8_t __a, int8x8_t __b)
  • こういう具合に、第1引数は16bit整数型8個で128bitのレジスタ、第2引数は8bit整数型8個で64bitのレジスタ、戻り値は第1引数と同じ128bitのレジスタ
  • Accumulatorみたいに、ベクトルをどんどん足し合わせる際に、積み上がっていく結果をもともと128bit幅で用意しておけば、結果がオーバーフローしないという配慮がなされている。
  • また、vaddwには、highが末尾に付いた命令も存在する
arm_neon.h
int16x8_t
vaddw_high_s8 (int16x8_t __a, int8x16_t __b)
  • こちらは、第2引数も128bit幅になっているが、この内使われるのは上位64bitのみ
  • 上位というのは、8bit整数ならば、8番目から15番目、の具合に、後方の64bitレジスタのみ使われる。
  • もともと、NEONは、64bitレジスタが基本で使われていた歴史的背景があり、こうやって64bit幅レジスタで使う方法が多数サポートされている。
  • また、引数の幅が64bit/128bitで食い違う場合、vaddw_high命令のように、highが末尾に付いた命令が提供される

おわりに

  • add命令だけで力尽きそうなので、3日目はここで終了。
  • 明日も引き続き筆者の執筆で、水平加算系の命令を紹介する予定
7
1
0

Register as a new user and use Qiita more conveniently

  1. You get articles that match your needs
  2. You can efficiently read back useful information
  3. You can use dark theme
What you can do with signing up
Sign upLogin
7
1

Delete article

Deleted articles cannot be recovered.

Draft of this article would be also deleted.

Are you sure you want to delete this article?