为啥内核中不使用 SIMD 指令？

Posted 2023-02-16

【中文标题】为啥内核中不使用 SIMD 指令？

【英文标题】：Why are SIMD instructions not used in kernel?为什么内核中不使用 SIMD 指令？

【发布时间】：2017-10-10 23:54:44

【问题描述】：

我在内核中找不到太多使用 SIMD 指令（如 SSE/AVX）的地方（除了一个用于加速 RAID6 奇偶校验计算的地方）。

Q1) 有什么具体原因，还是只是缺少用例？

Q2) 如果我想使用 SIMD 指令，比如设备驱动程序，今天需要做什么？

Q3) 将像 ISPC 这样的框架合并到内核中会有多难（仅用于实验）？

【参考方案1】：

保存/恢复 FPU（包括 SIMD 向量寄存器）状态比仅整数 GP 寄存器状态更昂贵。在大多数情况下，这根本不值得。

在 Linux 内核代码中，您只需在代码周围调用 kernel_fpu_begin() / kernel_fpu_end()。这就是 RAID 驱动程序的作用。参见http://yarchive.net/comp/linux/kernel_fp.html。

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x86 没有任何面向未来的方法来保存/恢复一个或几个向量寄存器。 （除了使用旧版 SSE 指令手动保存/恢复 xmm 寄存器外，如果用户空间的任何 ymm/zmm 寄存器的上半部分脏，则可能导致 SSE/AVX transition stalls on Intel CPUs。

旧版 SSE 起作用的原因是，当英特尔想要引入 AVX 时，一些 Windows 驱动程序已经这样做了，因此他们发明了这种转换惩罚的东西，而不是让旧版 SSE 指令将 ymm 寄存器的高 128b 归零。 （有关该设计决策的更多详细信息，请参阅this。）因此，基本上我们可以将 SSE/AVX 转换惩罚混乱归咎于 Windows 仅二进制驱动程序。

关于非 x86 架构的 IDK，以及现有 SIMD 指令集是否有面向未来的方法来保存/恢复将继续适用于更长向量的寄存器。如果扩展继续使用多个 32 位 FP 寄存器作为单个更宽寄存器的模式，ARM32 可能会。 （例如，q2 由 s8 到 s11 组成。）因此，如果 256b NEON 扩展只允许您将 2 个 q 寄存器用作一个 256b，那么保存/恢复一对 q 寄存器应该是面向未来的登记。或者，如果新的更宽向量是独立的，并且不扩展现有寄存器。

【讨论】：

相关：memcpy moving 128 bit in linux。我的回答还提到 kernel_fpu_end() 实际上在 Linux 3.7 及更高版本中“急切”地恢复了 FPU 状态，因此不要围绕小块工作使用多个开始/结束调用。