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NEON优化:矩阵转置的指令优化案例

2022-07-06 17:22:00 来知晓

NEON优化:矩阵转置的指令优化案例

NEON优化系列文章:

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背景


矩阵运算中经常用到转置操作,这里将原子矩阵4x4的转置NEON优化案例总结一下。

原始C函数负责将M[4][4]转置为MT[4][4],效果如下:

  • M[4][4]
    • a1, b1, c1, d1
    • a2, b2, c2, d2
    • a3, b3, c3, d3
    • a4, b4, c4, d4
  • M[4][4]^T
    • a1, a2, a3, a4
    • b1, b2, b3, b4
    • c1, c2, c3, c4
    • d1, d2, d3, d4

优化思路


有两种并行计算的方法将其转置。

  • 方法1
    • 用到4条指令:vld4q_f32/vtrnq_f32/vuzpq_f32/vst4q_f32
    • ld4q先从内存一批交叉读入到寄存器中
    • trnq利用内部两两转置功能,将部分行列进行转置
    • uzpq利用解交织的读写功能,将部分行列进行转置
    • 然后利用寄存器单独赋值给不同行
    • st4q将寄存器结果写入到内存中
  • 方法2
    • 利用内存和寄存器的交叉读写关系,两条指令实现转置,不用在寄存器中倒来倒去
    • ld1q实现按行读取数据到寄存器
    • st4q实现交叉读取寄存器值然后写入到内存中

样例代码


#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <arm_neon.h>

#define ROW_NUM 4
#define COL_NUM 4

int main(void)
{
    
    // initial
    float M[ROW_NUM][COL_NUM] = {
    
        {
    0, 1, 2, 3},
        {
    4, 5, 6, 7},
        {
    8, 9, 10, 11},
        {
    12, 13, 14, 15},
    };
    float MT[ROW_NUM][COL_NUM] = {
    0};
	
    // to do this:
    // a1 b1 c1 d1 => a1 a2 a3 a4
    // a2 b2 c2 d2 => b1 b2 b3 b4
    // ...
    // a4 b4 c4 d4 => d1 d2 d3 d4
 
    // origin
    int32_t i, j;
    for (i = 0; i < ROW_NUM; i++) {
    
        for (j = 0; j < COL_NUM; j++) {
    
            MT[j][i] = M[i][j];
        }
    }

    printf("ver1:\n");
    for (i = 0; i < ROW_NUM; i++) {
    
        for (j = 0; j < COL_NUM; j++) {
    
            printf("%f ", MT[i][j]);
            MT[i][j] = 0.;
        }
        printf("\n");
    }

    // method1
    float32x4x4_t vf32x4x4fTmpABCD = vld4q_f32(&M[0][0]); // vf32x4x4fTmpABCD中val[0]: a1 b1 c1 d1, val[1]: a2 b2 c2 d2
    float32x4x2_t vf32x4x2fTmpABCD01 = vtrnq_f32(vf32x4x4fTmpABCD.val[0], vf32x4x4fTmpABCD.val[1]); // vf32x4x2fTmpABCD01中val[0]: a1 a2 c1 c2, val[1]: b1 b2 d1 d2
    float32x4x2_t vf32x4x2fTmpABCD23 = vtrnq_f32(vf32x4x4fTmpABCD.val[2], vf32x4x4fTmpABCD.val[3]);
    float32x4x2_t vf32x4x2fTmpABCD02 = vuzpq_f32(vf32x4x2fTmpABCD01.val[0], vf32x4x2fTmpABCD23.val[0]); // row02, 按行组合
    float32x4x2_t vf32x4x2fTmpABCD13 = vuzpq_f32(vf32x4x2fTmpABCD01.val[1], vf32x4x2fTmpABCD23.val[1]); // row13, 按行组合
    vf32x4x2fTmpABCD02 = vtrnq_f32(vf32x4x2fTmpABCD02.val[0], vf32x4x2fTmpABCD02.val[1]);
    vf32x4x2fTmpABCD13 = vtrnq_f32(vf32x4x2fTmpABCD13.val[0], vf32x4x2fTmpABCD13.val[1]);
    vf32x4x4fTmpABCD.val[0] = vf32x4x2fTmpABCD02.val[0]; // a0 a1 a2 a3
    vf32x4x4fTmpABCD.val[2] = vf32x4x2fTmpABCD02.val[1];
    vf32x4x4fTmpABCD.val[1] = vf32x4x2fTmpABCD13.val[0];
    vf32x4x4fTmpABCD.val[3] = vf32x4x2fTmpABCD13.val[1]; // d0 d1 d2 d3
    vst4q_f32(&MT[0][0], vf32x4x4fTmpABCD);

    printf("ver2:\n");
    for (i = 0; i < ROW_NUM; i++) {
    
        for (j = 0; j < COL_NUM; j++) {
    
            printf("%f ", MT[i][j]);
            MT[i][j] = 0.;
        }
        printf("\n");
    }


    // method2
    float32x4x4_t vf32x4x4fTmp1ABCD;
    vf32x4x4fTmp1ABCD.val[0] = vld1q_f32(&M[0][0]); // a1 b1 c1 d1
    vf32x4x4fTmp1ABCD.val[1] = vld1q_f32(&M[1][0]);
    vf32x4x4fTmp1ABCD.val[2] = vld1q_f32(&M[2][0]);
    vf32x4x4fTmp1ABCD.val[3] = vld1q_f32(&M[3][0]); // a4 b4 c4 d4
    vst4q_f32(&MT[0][0], vf32x4x4fTmp1ABCD); // 利用交叉读写特性,放入到MT数组

    printf("ver3:\n");
    for (i = 0; i < ROW_NUM; i++) {
    
        for (j = 0; j < COL_NUM; j++) {
    
            printf("%f ", MT[i][j]);
            MT[i][j] = 0.;
        }
        printf("\n");
    }

    // 仅在寄存器内转置不输出到内存
    // float fTmpABCD4x4[4][4]; // 临时中转数组
    // vst4q_f32(&fTmpABCD4x4[0][0], vf32x4x4fTmpABCD); // 假设待转置的数据为vf32x4x4fTmpABCD
    // vf32x4x4fTmpABCD.val[0] = vld1q_f32(&fTmpABCD4x4[0][0]);
    // vf32x4x4fTmpABCD.val[1] = vld1q_f32(&fTmpABCD4x4[1][0]);
    // vf32x4x4fTmpABCD.val[2] = vld1q_f32(&fTmpABCD4x4[2][0]);
    // vf32x4x4fTmpABCD.val[3] = vld1q_f32(&fTmpABCD4x4[3][0]); // 转置结果放到寄存器中
    
    return 0;
}

以上代码末尾,附有仅在寄存器中实现转置的demo,可根据具体场景使用。

小结


方法1

  • 在寄存器内转置后输出到内存

  • 只在寄存器内操作,6条指令,加4个赋值

方法2

  • 直接通过内存与寄存器的交叉读取实现转置功能,命令降为3条。
  • 寄存器和内存之间交叉读取实现,5条指令

总之,实践得知,只在寄存器内操作场景,法1更优,比内存和寄存器之间读写交互更高效,哪怕多了一两条指令。而需要将结果输出到内存的时候,法2更优。

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