将打包的半字节组合成打包的字节

Posted 2023-02-16

【中文标题】将打包的半字节组合成打包的字节

【英文标题】：Combine packed nibbles into packed bytes

【发布时间】：2017-09-09 20:17:27

【问题描述】：

给定一个或多个 __m128i 或 __m256i 每个 16 位元素包含一个半字节，将它们组合并打包成每个 8 位元素一个字节的最快方法是什么（即 (hi << 4) | lo 用于相邻的 16 位元素元素）？

这是我想出的最好方法，不幸的是可以与标量代码相媲美：

const static __m256i shufmask = _mm256_setr_epi8(
  2, 255, 255, 255, 6, 255, 255, 255, 10, 255, 255, 255, 14, 255, 255, 255,
  2, 255, 255, 255, 6, 255, 255, 255, 10, 255, 255, 255, 14, 255, 255, 255);

const static __m256i high4 = _mm256_setr_epi8(
  255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0,
  255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0
);

inline static int64_t hnib2byte(__m256i nibbles)  // (a << 4) | b;
  // hi 0 lo 0, ...
  __m256i upper = _mm256_slli_epi16(nibbles, 4);

  // Align upper and lower halves so they can be ORed vertically
  // lo 0 0 0, ...
  __m256i lower = _mm256_shuffle_epi8(nibbles, shufmask);

  // ab x x x, ...
  __m256i or = _mm256_or_si256(upper, lower);

  // Pack into bytes
  or = _mm256_and_si256(or, high4);
  __m256i pack16 = _mm256_packus_epi16(or, or);
  const int _3to2 = 0b00001000;
  __m256i perm16 = _mm256_permute4x64_epi64(pack16, _3to2); // :(
  __m256i pack8 = _mm256_packus_epi16(perm16, perm16);

  return _mm_cvtsi128_si64(_mm256_castsi256_si128(pack8));

直到 AVX2 和包括在内的指令都是公平的游戏。 AVX-512 中的掩蔽移位开辟了更好的选择。这是在循环中调用的，因此在早期将半字节打包成 8 位元素也是公平的游戏。

【参考方案1】：

下面的解决方案hnib2byte_v2 应该比您的解决方案快一点，至少在英特尔处理器上是这样。

指令 vpermd 或内在 _mm256_permutevar8x32_epi32 在 AMD Ryzen 上运行缓慢。在该平台上最好使用_mm256_extracti128_si256 提取pck 的上128 位通道，使用_mm256_castsi256_si128 提取下128 位通道，并将这两者与_mm256_or_si256 结合以获得以最低 64 位回答。

/*
gcc -O3 -m64 -Wall -mavx2 -march=broadwell nibble2byte.c
*/
#include <immintrin.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

int print_avx2_hex(__m256i ymm);


inline static int64_t hnib2byte_v2(__m256i nibbles) 
  __m256i shufmask8  = _mm256_set_epi8(-1,-1,-1,-1,  -1,-1,-1,-1,  14,10,6,2,  -1,-1,-1,-1,  -1,-1,-1,-1,  -1,-1,-1,-1,  -1,-1,-1,-1,  14,10,6,2);
  __m256i shufmask32 = _mm256_set_epi32(7,7,7,7,7,7,5,0);

  __m256i lower      = _mm256_slli_epi32(nibbles, 20);
// 00E0000000C00000 00A0000000800000 0060000000400000 0020000000000000

  __m256i up_lo      = _mm256_or_si256(lower,nibbles);
// 00EF000E00CD000C 00AB000A00890008 0067000600450004 0023000200010000

  __m256i pck        = _mm256_shuffle_epi8(up_lo,shufmask8);
// 0000000000000000 EFCDAB8900000000 0000000000000000 0000000067452301

  __m256i pck64      = _mm256_permutevar8x32_epi32(pck,shufmask32);
// 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 EFCDAB8967452301

//  print_avx2_hex(lower);
//  print_avx2_hex(up_lo);
//  print_avx2_hex(pck);
//  print_avx2_hex(pck64);

  return _mm_cvtsi128_si64(_mm256_castsi256_si128(pck64));



inline static int64_t hnib2byte(__m256i nibbles)  // (a << 4) | b;

__m256i shufmask = _mm256_setr_epi8(
  2, 255, 255, 255, 6, 255, 255, 255, 10, 255, 255, 255, 14, 255, 255, 255,
  2, 255, 255, 255, 6, 255, 255, 255, 10, 255, 255, 255, 14, 255, 255, 255);

__m256i high4 = _mm256_setr_epi8(
  255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0,
  255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0, 255, 0, 0, 0);

  // hi 0 lo 0, ...
  __m256i upper = _mm256_slli_epi16(nibbles, 4);

  // Align upper and lower halves so they can be ORed vertically
  // lo 0 0 0, ...
  __m256i lower = _mm256_shuffle_epi8(nibbles, shufmask);

  // ab x x x, ...
  __m256i or = _mm256_or_si256(upper, lower);

  // Pack into bytes
  or = _mm256_and_si256(or, high4);
  __m256i pack16 = _mm256_packus_epi16(or, or);
  const int _3to2 = 0b00001000;
  __m256i perm16 = _mm256_permute4x64_epi64(pack16, _3to2); // :(
  __m256i pack8 = _mm256_packus_epi16(perm16, perm16);

  return _mm_cvtsi128_si64(_mm256_castsi256_si128(pack8));



int print_avx2_hex(__m256i ymm)

    long unsigned int x[4];
        _mm256_storeu_si256((__m256i*)x,ymm);
        printf("%016lX %016lX %016lX %016lX\n", x[3],x[2],x[1],x[0]);

    return 0;



int main()

   uint64_t x;
    __m256i nibble_x16 = _mm256_set_epi16(0x000F,0x000E,0x000D,0x000C,  0x000B,0x000A,0x0009,0x0008,  
                                          0x0007,0x0006,0x0005,0x0004,  0x0003,0x0002,0x0001,0x0000);
    printf("AVX variable: \n");
    print_avx2_hex(nibble_x16);                                      
    x = hnib2byte(nibble_x16);
    printf("With hnib2byte    x = %016lX \n\n",x);

    printf("AVX variable: \n");
    print_avx2_hex(nibble_x16);                                      
    x = hnib2byte_v2(nibble_x16);
    printf("With hnib2byte_v2 x = %016lX \n",x);
    return 0;

输出是：

$ ./a.out
AVX variable: 
000F000E000D000C 000B000A00090008 0007000600050004 0003000200010000
With hnib2byte    x = EFCDAB8967452301 

AVX variable: 
000F000E000D000C 000B000A00090008 0007000600050004 0003000200010000
With hnib2byte_v2 x = EFCDAB8967452301 

两种方法的输出与此处选择的输入相等。

除了加载 shuffle 常量（应该在循环外完成）之外，它只编译为五个指令： vpslld,vpor,vpshufb,vpermd,和vmovq，比你的解决方案少三个。

【讨论】：

哦对了，不用加的时候pshufb比几个packus简单！谢谢。