51312

Использование SIMD-расширений

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

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

Русский

2014-02-09

103 KB

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.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30445. Гарантии и ограничения прав и свобод в зарубежных странах 16.55 KB
  Гарантии и ограничения прав и свобод в зарубежных странах. Юридические гарантии существующие в странах с демократическим режимом опираются прежде всего на авторитет конституций в которых закреплены основные права и свободы. В этом плане для всех граждан очень важно чтобы как можно больше прав и свобод было в тексте именно конституций. Однако конституции далеко не всегда закрепляют права и свободы в полном объеме.
30446. Личные (гражданские) права, свободы, обязанности в зарубежных странах 17.2 KB
  Защита человека от произвола государства состоит в признании таких прав и свобод как достоинство личности право на жизнь неприкосновенность личности свобода частной жизни гарантии на справедливый суд процессуальные гарантии и некоторых других. Этим понятием охватывается качество человека равнозначное праву на уважение и обязанности уважать других. Достоинство личности это прежде всего запрет подвергать человека пыткам насилию другому жестокому или унижающему человеческое достоинство обращению или наказанию а также без...
30447. Политические права, свободы, обязанности в зарубежных странах 16.25 KB
  Политические права свободы обязанности в зарубежных странах. Эти права и свободы провозглашены во Всеобщей декларации прав человека закреплены в Международном пакте о гражданских и политических правах. Политические права и свободы могут быть реализованы человеком как индивидуально так и через объединение с другими людьми. Реально проявляют себя только крупные политические партии профсоюзы объединения предпринимателей религиозные общества творческие союзы спортивные клубы и т т Суть свободы демонстраций и собраний состоит в...
30448. Экономические, социальные и культурные права, свободы и обязанности в зарубежных странах 15.82 KB
  Экономические социальные и культурные права свободы и обязанности в зарубежных странах. Экономические права призваны гарантировать человеку возможность удовлетворить свои жизненные потребности получить от государства защиту своей экономической свободы и социальных льгот. Международный пакт об экономических социальных и культурных правах связывает эти права с идеалом свободной человеческой личности свободной от страха и нужды. Экономические права.
30449. Общественный строй как конституционно-правовой институт в зарубежных странах 14.12 KB
  Такими подсистемами являются: экономические отношения социальные отношения в узком смысле слова духовнокультурные отношения политические отношения. Не всегда можно провести четкую грань между этими отношениями. Его рассматривают как общество в котором существуют развитые экономические культурные правовые политические отношения между составляющими его индивидами которые не опосредованы государством.
30450. Государство как конституционно-правовой институт в зарубежных странах 13.3 KB
  Государство как конституционноправовой институт в зарубежных странах Государство является центральным институтом политической системы и основным институтом политической власти. Государство это осознанная необходимость общего управления для соблюдения жизненно важных условий существования людей. Государство это феномен человеческой мысли и человеческого труда. Государство основной институт политической системы общества организующий направляющий и контролирующий совместную деятельность и отношения людей общественных групп...
30451. Негосударственные политические институты и их конституционно-правовой статус в зарубежных странах 16.29 KB
  Усложнение форм и методов деятельности политических партий возрастание их роли в обществе закономерно приводят к их юридической институционализации. Институционализация политических партий проявляется в двух взаимосвязанных процессах: конституцищшпзации то есть включении в конституции основных принципов их статуса и законодательной институционализации в результате которой правовое положение партий определяется законом достаточно детально. Законодательная институционализация обычно включает правовое регулирование...
30452. Формы правления и государственные режимы в зарубежных странах 17.92 KB
  Формы правления и государственные режимы в зарубежных странах. Форма правления внешнее выражение содержания государства определяемое структурой и правовым положением высших органов государственной власти. Характер формы правления существующей в данном государстве зависит от организации верховной государственной власти точнее от определения правового положения одного высшего органа государственной власти главы государства. И в зависимости от того осуществляется ли эта власть одним лицом по наследству или...
30453. Принципы избирательного права в зарубежных странах 16.46 KB
  Принципы избирательного права: 1 Всеобщность избирательные права признаются за всеми взрослыми и психически здоровыми гражданами Тем не менее всеобщее избирательное право ограничено рядом цензов требований к потенциальному избирателю: возрастной ценз; ценз оседлости ценз пола имущественный профессиональный ценз Моральный ценз расовый 2 Свободное участие в выборах избиратель сам решает участвовать ли ему в избирательном процессе и если да то в какой мере.