优化 – 内存读写汇编指令的最佳排序

2023年9月24日 365次阅读

我想知道在Core 2和Westmere之间的Intel处理器上的一系列指令的最佳顺序是什么.这是AT& T语法,因此pxor指令是内存读取,movdqa是内存写入：

    movdqa  %xmm0, -128+64(%rbx)
    movdqa  %xmm1, -128+80(%rbx)
    movdqa  %xmm2, -128+96(%rbx)
    movdqa  %xmm3, -128+112(%rbx)
    pxor    -128(%rsp), %xmm0
    pxor    -112(%rsp), %xmm1
    pxor    -96(%rsp), %xmm2
    pxor    -80(%rsp), %xmm3
    movdqa  %xmm8, 64(%rbx)
    movdqa  %xmm9, 80(%rbx)
    movdqa  %xmm10, 96(%rbx)
    movdqa  %xmm11, 112(%rbx)
    pxor    -128(%r14), %xmm8
    pxor    -112(%r14), %xmm9
    pxor    -96(%r14), %xmm10
    pxor    -80(%r14), %xmm11
    movdqa  %xmm12, 64(%rdx)
    movdqa  %xmm13, 80(%rdx)
    movdqa  %xmm14, 96(%rdx)
    movdqa  %xmm15, 112(%rdx)
    pxor    0(%r14), %xmm12
    pxor    16(%r14), %xmm13
    pxor    32(%r14), %xmm14
    pxor    48(%r14), %xmm15

％r14,％rsp,％rdx和％rbx是256的不同倍数.换句话说,上面的指令中没有非明显的别名,并且已经布置了数据以便对大数据块进行对齐访问.正在访问的所有内存行都在L1缓存中.

一方面,我对Agner Fog的optimization guides的理解让我相信,有可能按照下面的顺序逐个接近两个指令：

movdqa  %xmm0, -128+64(%rbx)
movdqa  %xmm1, -128+80(%rbx)
pxor    -128(%rsp), %xmm0
movdqa  %xmm2, -128+96(%rbx)
pxor    -112(%rsp), %xmm1
movdqa  %xmm3, -128+112(%rbx)
pxor    -96(%rsp), %xmm2
movdqa  %xmm8, 64(%rbx)
pxor    -80(%rsp), %xmm3
movdqa  %xmm9, 80(%rbx)
pxor    -128(%r14), %xmm8
movdqa  %xmm10, 96(%rbx)
pxor    -112(%r14), %xmm9
movdqa  %xmm11, 112(%rbx)
pxor    -96(%r14), %xmm10
movdqa  %xmm12, 64(%rdx)
pxor    -80(%r14), %xmm11
movdqa  %xmm13, 80(%rdx)
pxor    0(%r14), %xmm12
movdqa  %xmm14, 96(%rdx)
pxor    16(%r14), %xmm13
movdqa  %xmm15, 112(%rdx)
pxor    32(%r14), %xmm14
pxor    48(%r14), %xmm15

这种排序试图通过在读取和写入之间留下偏移来考虑Agner Fog的microachitecture.pdf中描述的“缓存库冲突”.

另一方面,另一个问题是虽然程序员知道上面的代码中没有别名,但他们无法将这些信息传达给处理器.由于处理器必须考虑读取值是否被上述指令中的写入修改的可能性,因此读取和写入的交错会引入延迟？在那种情况下,显然最好先进行所有读操作,但由于这对于特定的指令序列是不可能的,因此首先完成所有写操作都是有意义的.

简而言之,这里似乎有很多可能性,而我的直觉并不足以让人感觉到每一种可能发生的事情.

编辑：如果重要的话,在所考虑的序列之前的代码是从内存加载xmm寄存器或用算术指令计算它们,并且使用这些寄存器之后的代码将它们写入内存或作为输入算术指令.已写入的内存位置不会立即重用. rbx,rsp,r14和rdx是长期寄存器,必须来自寄存器文件.

最佳答案 为了测量在使用指令的上下文中不同排序选项所采用的循环次数,我检测了我感兴趣的指令和周围的指令：

#ifdef M    
    push    %rdx
    push    %rax
    push    %rbx
    push    %rcx    
    xorq    %rax, %rax
    cpuid
    rdtsc
    movl    %eax, 256+32+UNUSED_64b
    movl    %edx, 256+32+4+UNUSED_64b
    pop     %rcx        
    pop     %rbx
    pop %rax
    pop %rdx
#endif  
    movdqa  %xmm0, -128+64(%rbx)
    movdqa  %xmm1, -128+80(%rbx)
    movdqa  %xmm2, -128+96(%rbx)
    movdqa  %xmm3, -128+112(%rbx)

    movdqa  %xmm8, 64(%rbx)
    movdqa  %xmm9, 80(%rbx)
    movdqa  %xmm10, 96(%rbx)
    movdqa  %xmm11, 112(%rbx)

    pxor    -128(%rsp), %xmm0   
    pxor    -112(%rsp), %xmm1
    pxor    -96(%rsp), %xmm2    
    pxor    -80(%rsp), %xmm3

    movdqa  %xmm12, 64(%rdx)
    movdqa  %xmm13, 80(%rdx)
    movdqa  %xmm14, 96(%rdx)
    movdqa  %xmm15, 112(%rdx)

    pxor    -128(%r14), %xmm8   
    pxor    -112(%r14), %xmm9
    pxor    -96(%r14), %xmm10
    pxor    -80(%r14), %xmm11

    movdqa  %xmm0, -128+0(%rbx)
    movdqa  %xmm1, -128+16(%rbx)
    movdqa  %xmm2, -128+32(%rbx)
    movdqa  %xmm3, -128+48(%rbx)

    pxor    0(%r14), %xmm12
    pxor    16(%r14), %xmm13
    pxor    32(%r14), %xmm14
    pxor    48(%r14), %xmm15

    movdqa  %xmm8, 0(%rbx)
    movdqa  %xmm9, 16(%rbx)
    movdqa  %xmm10, 32(%rbx)
    movdqa  %xmm11, 48(%rbx)
    movdqa  %xmm12, 0(%rdx)
    movdqa  %xmm13, 16(%rdx)
    movdqa  %xmm14, 32(%rdx)
    movdqa  %xmm15, 48(%rdx)

#ifdef M        
    push    %rdx
    push    %rax
    push    %rbx
    push    %rcx    
    xorq    %rax, %rax
    cpuid   
    rdtsc
    shlq    $32, %rdx
    orq %rdx, %rax
    subq    256+32+UNUSED_64b, %rax
    movq    %rax, 256+32+UNUSED_64b
    pop     %rcx        
    pop     %rbx    
    pop %rax
    pop %rdx
#endif
…
// safe place
    call do_debug
…
#ifdef M
    .cstring
measure:
        .ascii "%15lu\12\0"

        .section        __DATA,__data
    .align 2

count:
    .word 30000

    .text
do_measure:
    decb    count(%rip)
    jnz     done_measure
    pushq   %rax
    pushq   %rax    
    pushq   %rbx
    pushq   %rcx
    pushq   %rdx
    pushq   %rsi
    pushq   %rdi
    pushq   %rbp    
    pushq   %r9
    pushq   %r10
    pushq   %r11
    pushq   %r12
    pushq   %r13
    pushq   %r14
    pushq   %r15

        movq    16*8+UNUSED_64b, %rsi
        leaq    measure(%rip), %rdi
        xorl    %eax, %eax
        call    _applog

    popq    %r15
    popq    %r14
    popq    %r13    
    popq    %r12
    popq    %r11
    popq    %r10    
    popq    %r9
    popq    %rbp    
    popq    %rdi
    popq    %rsi
    popq    %rdx
    popq    %rcx
    popq    %rbx
    popq    %rax
    popq    %rax    
done_measure:
    ret
#endif

上面的序列是我发现的对于我正在开发的处理器,Westmere Xeon W3680更快的序列.我在问题中提出的序列结果证明是可怕的,例如,可能是因为它在使用xmm寄存器的下面的指令与它们最后设置的指令之间放置了太多的距离,迫使它们通过寄存器文件也导致寄存器读取停顿.

UNUSED_64b是由于对齐约束而在堆栈上可用的空槽的名称.它必须在堆栈上,因为程序使用线程：

#define UNUSED_64b         16(%rsp)

256 32补偿了探针设置点处堆栈的特殊用途.

此汇编代码适用于Mac OS X.某些类似Unix系统的细节会有所不同.

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