ID: 51312

Название работы: Использование SIMD-расширений

Категория: Лабораторная работа

Предметная область: Информатика, кибернетика и программирование

Описание: Цель работы Научиться использовать в программах SIMD-расширения архитектуры х86. Написать программу с использованием SIMD-расширений.

Язык: Русский

Дата добавления: 2014-02-09

Размер файла: 103 KB

Работу скачали: 1 чел.

Министерство образования и науки

ФГБОУ ВПО Тульский государственный университет

КАФЕДРА АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Использование SIMD-расширений

Отчет по лабораторной работе № 6

по дисциплине «Кодирование и сжатие данных»

Выполнил:                студент группы      230691   __________  Гриценко И.В.

                                      (подпись)                                            

Проверил:                                                                 __________  Гетманец В.М.

                                                              (подпись)

Тула 2013
Цель работы

 Научиться использовать в программах SIMD-расширения архитектуры х86. Написать программу с использованием SIMD-расширений.

Задание на работу

Реализовать приложение для выполнения простейших арифметических действий с матрицами с использованием SIMD-расширений.

Ход работы

В ходе выполнения данной работы была разработана программа реализующая сложение, вычитание и умножение матриц с использованием SIMD-расширений. Ниже представлен текст этой программы, написанной на языке Delphi.

unit MUnit;

interface

uses

 Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,

 Dialogs, StdCtrls, ExtCtrls, cxGraphics, cxControls, cxLookAndFeels,

 cxLookAndFeelPainters, cxContainer, cxEdit, Grids, cxTextEdit,

 cxMaskEdit, cxSpinEdit, dxLayoutContainer, dxLayoutcxEditAdapters,

 dxLayoutControlAdapters, Menus, cxButtons, dxLayoutControl, dxBevel,

 cxLabel;

type

 TfrmMain = class(TForm)

   dxLayoutControl1Group_Root: TdxLayoutGroup;

   dxLayoutControl1: TdxLayoutControl;

   sgA: TStringGrid;

   dxLayoutControl1Item1: TdxLayoutItem;

   seN: TcxSpinEdit;

   dxLayoutControl1Item2: TdxLayoutItem;

   dxLayoutControl1Group1: TdxLayoutGroup;

   sgB: TStringGrid;

   dxLayoutControl1Item6: TdxLayoutItem;

   teTReg: TcxTextEdit;

   dxLayoutControl1Item7: TdxLayoutItem;

   teTMMX: TcxTextEdit;

   dxLayoutControl1Item8: TdxLayoutItem;

   seNum: TcxSpinEdit;

   dxLayoutControl1Item9: TdxLayoutItem;

   dxLayoutControl1Group4: TdxLayoutGroup;

   sgC: TStringGrid;

   dxLayoutControl1Item10: TdxLayoutItem;

   btnAdd: TcxButton;

   dxLayoutControl1Item11: TdxLayoutItem;

   btnSub: TcxButton;

   dxLayoutControl1Item12: TdxLayoutItem;

   btnMul: TcxButton;

   dxLayoutControl1Item13: TdxLayoutItem;

   lbEq: TcxLabel;

   dxLayoutControl1Item14: TdxLayoutItem;

   dxLayoutControl1Group2: TdxLayoutGroup;

   dxLayoutControl1Group6: TdxLayoutGroup;

   dxLayoutControl1Item15: TdxLayoutItem;

   bvSeparator1: TdxBevel;

   dxLayoutControl1Item16: TdxLayoutItem;

   bvSeparator2: TdxBevel;

   procedure seNPropertiesChange(Sender: TObject);

   procedure sgAKeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

   procedure FormCreate(Sender: TObject);

   procedure seNumPropertiesChange(Sender: TObject);

   procedure btnMulClick(Sender: TObject);

   procedure btnAddClick(Sender: TObject);

   procedure btnSubClick(Sender: TObject);

 private

   { Private declarations }

 public

   { Public declarations }

 end;

 TArray4 = array [0..3] of Smallint;

 TArray2 = array [0..1] of Longint;

 TMatrInt = array of array of Smallint;

 TMatrReal = array of array of Real;

var

 frmMain: TfrmMain;

implementation

uses Math;

{$R *.dfm}

function MAddMMX(m1: TMatrInt; nm1, mm1: Integer; m2: TMatrInt; nm2, mm2: Integer;

 var mr: TMatrInt): Extended;

var       

 QPF, T1, T2: Int64;

 i, k: Integer;

 ar1, ar2: TArray4;

 ares: TArray4;

begin

 QueryPerformanceFrequency(QPF);

 QueryPerformanceCounter(T1);

 for i := 0 to nm1-1 do

 begin

   k := 1;

   while k < mm1 do

   begin

     ar1[0] := m1[i,k-1]; ar1[1] := m1[i,k]; ar1[2] := m1[i,k+1]; ar1[3] := m1[i,k+2];

     ar2[0] := m2[i,k-1]; ar2[1] := m2[i,k]; ar2[2] := m2[i,k+1]; ar2[3] := m2[i,k+2];

     asm

       movq MM0, ar1[0]

       movq MM1, ar2[0]

       paddw MM0, MM1

       movq ares[0], MM0

       emms

     end;

     mr[i,k-1] := ares[0]; mr[i,k] := ares[1]; mr[i,k+1] := ares[2]; mr[i,k+2] := ares[3];

     Inc(k, 4);

   end;

 end;

 QueryPerformanceCounter(T2);

 Result := (T2 - T1) / QPF;

end;

function MSubMMX(m1: TMatrInt; nm1, mm1: Integer; m2: TMatrInt; nm2, mm2: Integer;

 var mr: TMatrInt): Extended;

var       

 QPF, T1, T2: Int64;

 i, k: Integer;

 ar1, ar2: TArray4;

 ares: TArray4;

begin

 QueryPerformanceFrequency(QPF);

 QueryPerformanceCounter(T1);

 for i := 0 to nm1-1 do

 begin

   k := 1;

   while k < mm1 do

   begin

     ar1[0] := m1[i,k-1]; ar1[1] := m1[i,k]; ar1[2] := m1[i,k+1]; ar1[3] := m1[i,k+2];

     ar2[0] := m2[i,k-1]; ar2[1] := m2[i,k]; ar2[2] := m2[i,k+1]; ar2[3] := m2[i,k+2];

     asm

       movq MM0, ar1[0]

       movq MM1, ar2[0]

       psubw MM0, MM1

       movq ares[0], MM0

       emms

     end;

     mr[i,k-1] := ares[0]; mr[i,k] := ares[1]; mr[i,k+1] := ares[2]; mr[i,k+2] := ares[3];

     Inc(k, 4);

   end;

 end;

 QueryPerformanceCounter(T2);

 Result := (T2 - T1) / QPF;

end;

function MMulMMX(m1: TMatrInt; nm1, mm1: Integer; m2: TMatrInt; nm2, mm2: Integer;

 var mr: TMatrInt): Extended;

var       

 QPF, T1, T2: Int64;

 i, j, k: Integer;

 ar1, ar2: TArray4;

 ares: TArray2;

begin

 QueryPerformanceFrequency(QPF);

 QueryPerformanceCounter(T1);

 for i := 0 to nm1-1 do

   for j := 0 to mm2-1 do

   begin

     k := 1;

     while k < mm1 do

     begin

       ar1[0] := m1[i,k-1]; ar1[1] := m1[i,k]; ar1[2] := m1[i,k+1]; ar1[3] := m1[i,k+2];

       ar2[0] := m2[k-1,j]; ar2[1] := m2[k,j]; ar2[2] := m2[k+1,j]; ar2[3] := m2[k+2,j];

       asm

         movq MM0, ar1[0]

         movq MM1, ar2[0]

         pmaddwd MM0, MM1

         movq ares[0], MM0

         emms

       end;

       mr[i,j] := ares[0] + ares[1];

       Inc(k, 4);

     end;

   end;   

 QueryPerformanceCounter(T2);

 Result := (T2 - T1) / QPF;

end;

function MAddRegular(m1: TMatrInt; nm1, mm1: Integer; m2: TMatrInt; nm2, mm2: Integer;

 var mr: TMatrInt): Extended;

var

 QPF, T1, T2: Int64;

 i, j: Integer;

begin

 QueryPerformanceFrequency(QPF);

 QueryPerformanceCounter(T1);

 for i := 0 to nm1-1 do

   for j := 0 to mm2-1 do

   begin

     mr[i,j] := 0;

     mr[i,j] := mr[i,j] + m1[i,j] + m2[i,j];

   end;

 QueryPerformanceCounter(T2);

 Result := (T2 - T1) / QPF;

end;

function MSubRegular(m1: TMatrInt; nm1, mm1: Integer; m2: TMatrInt; nm2, mm2: Integer;

 var mr: TMatrInt): Extended;

var

 QPF, T1, T2: Int64;

 i, j: Integer;

begin

 QueryPerformanceFrequency(QPF);

 QueryPerformanceCounter(T1);

 for i := 0 to nm1-1 do

   for j := 0 to mm2-1 do

   begin

     mr[i,j] := 0;

     mr[i,j] := mr[i,j] + m1[i,j] - m2[i,j];

   end;

 QueryPerformanceCounter(T2);

 Result := (T2 - T1) / QPF;

end;

function MMulRegular(m1: TMatrInt; nm1, mm1: Integer; m2: TMatrInt; nm2, mm2: Integer;

 var mr: TMatrInt): Extended;

var

 QPF, T1, T2: Int64;

 i, j, k: Integer;

begin

 QueryPerformanceFrequency(QPF);

 QueryPerformanceCounter(T1);

 for i := 0 to nm1-1 do

   for j := 0 to mm2-1 do

   begin

     mr[i,j] := 0;

     for k := 0 to mm1-1 do

       mr[i,j] := mr[i,j] + m1[i,k]*m2[k,j];

   end;  

 QueryPerformanceCounter(T2);

 Result := (T2 - T1) / QPF;

end;

procedure TfrmMain.seNPropertiesChange(Sender: TObject);

var

 i, j, n: Integer;

begin

 n := seN.Value;

 sgA.ColCount := n;

 sgA.RowCount := n;

 sgB.ColCount := n;

 sgB.RowCount := n;

 sgC.ColCount := n;

 sgC.RowCount := n;

 for i := 0 to n-1 do

   for j := 0 to n-1 do

   begin

     if sgA.Cells[i,j] = '' then

       sgA.Cells[i,j] := '0';

     if sgB.Cells[i,j] = '' then

       sgB.Cells[i,j] := '0';

   end;

 for i := 0 to n-1 do

   sgC.Cols[i].Clear;

 teTReg.Clear;

 teTMMX.Clear;

end;

procedure TfrmMain.sgAKeyPress(Sender: TObject; var Key: Char);

begin

 teTReg.Clear;

 teTMMX.Clear;

end;

procedure TfrmMain.seNumPropertiesChange(Sender: TObject);

begin

 teTReg.Clear;

 teTMMX.Clear;

end;

procedure TfrmMain.FormCreate(Sender: TObject);

begin

 seN.Value := 4;

end;

procedure TfrmMain.btnAddClick(Sender: TObject);

var

 n, num, i, j: Integer;

 a, b, c: TMatrInt;

 time_reg, time_mmx: extended;

 QPF, t1, t2: Int64;

begin

 n := seN.Value;

 num := seNum.Value;

 SetLength(a, n, n);

 for i := 0 to n-1 do

   for j := 0 to n-1 do

     a[i,j] := strtoint(sgA.Cells[j,i]);

 SetLength(b, n, n);

 for i := 0 to n-1 do

   for j := 0 to n-1 do

     b[i,j] := strtoint(sgB.Cells[j,i]);

 SetLength(c, n, n);

 QueryPerformanceFrequency(QPF);

 QueryPerformanceCounter(t1);

 for i := 1 to num do

   MAddRegular(a, n, n, b, n, n, c);

 QueryPerformanceCounter(t2);

 time_reg := (t2 - t1) / QPF;

 QueryPerformanceCounter(t1);

 for i := 1 to num do

   MAddMMX(a, n, n, b, n, n, c);

 QueryPerformanceCounter(t2);

 time_mmx := (t2 - t1) / QPF;

 for i := 0 to n-1 do

   for j := 0 to n-1 do

     sgC.Cells[j,i] := inttostr(c[i,j]);

 teTReg.Text := floattostr(time_reg);

 teTMMX.Text := floattostr(time_mmx);

end;

procedure TfrmMain.btnSubClick(Sender: TObject);

var

 n, num, i, j: Integer;

 a, b, c: TMatrInt;

 time_reg, time_mmx: extended;

 QPF, t1, t2: Int64;

begin

 n := seN.Value;

 num := seNum.Value;

 SetLength(a, n, n);

 for i := 0 to n-1 do

   for j := 0 to n-1 do

     a[i,j] := strtoint(sgA.Cells[j,i]);

 SetLength(b, n, n);

 for i := 0 to n-1 do

   for j := 0 to n-1 do

     b[i,j] := strtoint(sgB.Cells[j,i]);

 SetLength(c, n, n);

 QueryPerformanceFrequency(QPF);

 QueryPerformanceCounter(t1);

 for i := 1 to num do

   MSubRegular(a, n, n, b, n, n, c);

 QueryPerformanceCounter(t2);

 time_reg := (t2 - t1) / QPF;

 QueryPerformanceCounter(t1);

 for i := 1 to num do

   MSubMMX(a, n, n, b, n, n, c);

 QueryPerformanceCounter(t2);

 time_mmx := (t2 - t1) / QPF;

 for i := 0 to n-1 do

   for j := 0 to n-1 do

     sgC.Cells[j,i] := inttostr(c[i,j]);

 teTReg.Text := floattostr(time_reg);

 teTMMX.Text := floattostr(time_mmx);

end;

procedure TfrmMain.btnMulClick(Sender: TObject);

var

 n, num, i, j: Integer;

 a, b, c: TMatrInt;

 time_reg, time_mmx: extended;

 QPF, t1, t2: Int64;

begin

 n := seN.Value;

 num := seNum.Value;

 SetLength(a, n, n);

 for i := 0 to n-1 do

   for j := 0 to n-1 do

     a[i,j] := strtoint(sgA.Cells[j,i]);

 SetLength(b, n, n);

 for i := 0 to n-1 do

   for j := 0 to n-1 do

     b[i,j] := strtoint(sgB.Cells[j,i]);

 SetLength(c, n, n);

 QueryPerformanceFrequency(QPF);

 QueryPerformanceCounter(t1);

 for i := 1 to num do

   MMulRegular(a, n, n, b, n, n, c);

 QueryPerformanceCounter(t2);

 time_reg := (t2 - t1) / QPF;

 QueryPerformanceCounter(t1);

 for i := 1 to num do

   MMulMMX(a, n, n, b, n, n, c);

 QueryPerformanceCounter(t2);

 time_mmx := (t2 - t1) / QPF;

 for i := 0 to n-1 do

   for j := 0 to n-1 do

     sgC.Cells[j,i] := inttostr(c[i,j]);

 teTReg.Text := floattostr(time_reg);

 teTMMX.Text := floattostr(time_mmx);

end;

end. 

           

Тестовый пример

На рисунке 1 представлен снимок экрана, демонстрирующей работу разработанной программы при сложении матриц.

Рисунок 1 – Пример работы программы (сложение матриц)

На рисунке 2 представлен снимок экрана, демонстрирующей работу разработанной программы при вычитании матриц.

Рисунок 2 – Пример работы программы (вычитание матриц)

На рисунке 3 представлен снимок экрана, демонстрирующей работу разработанной программы при умножении матриц.

Рисунок 3 – Пример работы программы (умножение матриц)

Проанализировав рисунки 1-3 можно убедиться, что выполнение операций с использованием SIMD-расширений производится быстрее, чем с использованием стандартных операций.

Вывод

Для повышения быстродействия и качества работы программ  часто используются SIMD-расширения. Команды SIMD-расширений обеспечивают параллельную обработку нескольких байтов, слов или двойных слов. Однако следует отметить, что не во всех программах можно существенно увеличить эффективность за счет использования SIMD-расширений.