Netrix’s devBlog

Po trzech tygodniach wreszcie odzyskałem notebooka, w którym jak się okazało, popsuła się płyta główna (brak możliwości restartu, ponieważ po wyłączeniu systemu operacyjnego, komputer się przez pół godziny nie dawał uruchomić). Po powrocie z serwisu niestety kilka programów zaczęło szwankować, ale jest to konsekwencją wymiany płyty głównej. Przynajmniej dostałem w końcu dobry pretekst, żeby usunąć z dysku ostatni 32-bitowy system a zarazem Vistę :).

Przechodząc do meritum, po próbach zainstalowania Windows XP 64-bit, Windows 2k8 Server x64, dopiero Windows Seven 64-bit okazał się być odpowiednim systemem, ponieważ jako jedyny posiada sterowniki do mojej, jakże wydajnej karty “GeForce 6100 Go!”. Z innymi sterownikami też nie było problemu, gdyż na stronie ASUS mimo tego, że sterowniki oznaczone są jako 32-bitowe, zawierają również wersje 64-bit.
Po sterownikach przyszedł czas na oprogramowanie. Starałem się instalować programy x64, jeżeli były one dostępne. Wśród nich są między innymi Mozilla Firefox (Minefield) oraz Mozilla Thunderbird (Shredder) dostępne na tej stronie. Niestety największą bolączką przeglądarki 64-bitowej jest brak programu Adobe Flash Player w tej samej wersji (istnieje wersja testowa, ale przeznaczona tylko na systemy Linux).
Oprócz przeglądarki, ważnym programem (przynajmniej dla mnie) jest Visual Studio. Samo IDE jest aplikacją opartą o .NET więc jest 32-bitowa, ale kompilator w nim zawarty ma już wsparcie dla 64-bitów. W ustawieniach projektu jest możliwość wyboru docelowej platformy x86/x64/IA-64 (pozostaję póki co przy x86). Niestety przy instalacji DirectX SDK pojawił się drobny dylemat. W Visualu, w opcjach (dla ułatwienia oczywiście) można podać ścieżkę do katalogu z bibliotekami statycznymi, jednak w przypadku gdybym chciał kompilować program w dwóch wersjach, dochodzi problem żonglowania ze ścieżkami do wersji x64 i x86. Lepiej by było, gdyby Visual sam wybierał ścieżki na podstawie tego, na jaką platformę kompilujemy dany projekt.
Ostatnią ciekawostką jest brak możliwości zainstalowania NVIDIA SDK 9, którego instalator wyrzuca komunikat o braku wsparcia dla x64.

Podsumowując muszę stwierdzić, że przejście na platformę 64-bitową jest dla mnie krokiem naprzód, ponieważ jakby nie patrzeć mogę wykorzystać posiadany sprzęt w 100% (2x więcej rejetrów xmm :)), a dodatkowo dobrze się bawić poznając dokładniej tę architekturę. Ogólnie programów 64-bitowych nie ma jeszcze za wiele, ale myślę, że ich ilość stale wzrasta. Mam również nadzieję, że system Windows Seven będzie ostatnim systemem, który jest dostępny w wersji 32-bitowej, dzięki temu producenci nie będą mieli problemy z wyborem platformy docelowej dla sterowników.

Zabawa w kodzie na niskim poziomie może być bardzo fajna, ja porównuję ją do rozwiązywania łamigłówek (myślę, że są osoby, które podzielają moje zdanie :)). Czasem ta zabawa sprowadza się zbadania, czy zmiana jednej funkcji assemblerowej powoduje przyspieszenie kodu o ten jeden cykl, chociaż jest to już skrajność. Przykładem tego może być funkcja obliczająca długość wektora 4D wykorzystująca funkcje wewnętrzne kompilatora – Intrinsics:

float Length()
{
   float f;
   __m128 temp = _mm_mul_ps(m_vector, m_vector);
   __m128 temp2 = _mm_add_ps(_mm_movehl_ps(temp, temp), temp);
   temp = _mm_shuffle_ps(temp2, temp2, _MM_SHUFFLE(0,0,0,1));
   _mm_store_ss(&f, _mm_sqrt_ss(_mm_add_ss(temp2, temp)));
   return f;
}

Powyższy kod jest najszybszą wersją jaką udało mi się uzyskać. Polega on na obliczeniu kwadratów wszystkich składowych, dodaniu ich do siebie oraz zpierwiastkowanie. Najbardziej pracochłonną częścią jest tutaj wbrew pozorom dodawanie, gdyż kwadrat składowych można załatwić jednym mnożeniem wektorowym. Dodawanie jednak rozbija się na dwie operacje dodawania oraz dwie operacje przemieszania, ponieważ SSE nie oferuje funkcji, która dodawałaby wszystkie elementy pojedynczego rejestru. Do wykonywania operacji przemieszania najczęściej stosuje się funkcje _mm_shuffle(), ponieważ pozwala ona dowolnie rozmieścić elementy w rejestrze. Rozszerzenie SSE umożliwia jednak wykonanie przemieszań za pomocą innych funkcji (_mm_unpackhi_ps(), _mm_unpacklo_ps(), _mm_movehl_ps(), _mm_movelh_ps()), które mieszają elementy tylko w określony sposób. W powyższym kodzie zastosowałem właśnie _mm_unpackhi(), ponieważ funkcja zapisuje elementy x i y na pozycji elementow z i w.

Inną sprawą jest, w jaki sposób kompilator radzi sobie z takim kodem. Otóż posiada on specjalnie zaprogramowane optymalizacje dla tego typu funkcji oraz typu __m128. Kompilator widząc te funkcje zamienia je na wywołania odpowiednich funkcji w kodzie assemblera, przy czym sam zarządza wykorzystaniem rejestrów xmm. Nie trzeba się zatem martwić o ilość zmiennych typu __m128, ponieważ nie wpływa to bezpośrednio na rejestry.

Na warsztacie pojawił się ostatnio bardzo ciekawy temat dotyczący wykorzystania instrukcji procesora przetwarzających dane potokowo. Jak wiadomo każdemu programiście, każdy procesor wspiera różny zestaw funkcji (ponieważ są one dołączane do poprzednich). O to lista tych rozszerzeń:

• MMX (operacje na liczbach całkowitych)
• SSE (operacje zmiennoprzecinkowe pojedynczej precyzji)
• SSE2 (operacje zmiennoprzecinkowe podwójnej precyzji)
• SSE3 (konwersje i dodawanie w poziomie)
• SSSE3 (dodatkowe działania na liczbach całkowitych)
• SSE4 (dodatkowe instrukcje wektorowe, w tym upragniony iloczyn skalarny dwóch wektorów)

O ile rozszerzenie MMX korzysta z rejestrów koprocesora (co czyni go niewydajnym, ponieważ przełączanie między MMX a koprocesorem trwa trochę czasu), o tyle pozostałe rozszerzenia wprowadzają dodatkowe rejestry xmm (8 dla procesorów 32-bitowych oraz 16 dla procesorów 64-bitowych) po 128 bitów każdy. Rejestry te są traktowane tak jak jest to wymagane do danej funkcji, zatem dla liczb całkowitych jest całe 128-bitowe słowo lub można dzielić na pół, aż do uzyskania 16 osobnych bajtów. W przypadku liczb zmiennoprzecinkowych są to 4 liczby typu float lub 2 liczby typu double.

Dostępne funkcje pozwalają wykonywać obliczenia zarówno skalarnie jak i wektorowo. Oczywiście najlepiej jest gdy przeprowadzane operacje są głównie wektorowe, ponieważ pozwala to zaoszczędzić mnóstwo cennych cykli procesora. Największy problem to oczywiście pisanie operacji przy użyciu tych funkcji, ponieważ wymagana jest podstawowa znajomość Assemblera, chociaż dzięki tzw. funkcjom intrinsics wcale nie trzeba robić w kodzie wstawek asemblerowych, gdyż funkcje robią to zamiast programisty.

Przyznam szczerze, mnie również  bardzo interesują te funkcje, dlatego postanowiłem z ich pomocą napisać własną implementacje wektorów i macierzy (również dlatego, że te w D3DX, nie mają tego wsparcia). Jest to dość żmudna robota, ponieważ trzeba jakoś zagwarantować to, żeby moje wektory ruszyły na starszych komputerach (a nuż trzeba będzie), ale mimo wszystko uważam, że warta zachodu. Mogę już powiedzieć, że funkcja obliczająca długość wektora, dzięki instrukcją z rozszerzenia SSE, jest szybsza od wersji z D3DX.

Przeglądając opcje projektu w Visual C++ 2008 Express Edition natrafiłem na opcję, która umożliwia kompilatorowi użycie dodatkowych instrukcji procesora z zestawów SSE i SSE2. Niestety nie wiem, które co i jak kompilator może zoptymalizować, ale myślę, że warto ustawić tę opcję na minimum SSE. A nuż coś pomoże. Aby uaktywnić tę opcję należy wejść do opcji projektu -> C++ -> Code Generation -> Enable Enhanced Instruction Set.

Próba uruchomienia programu zoptymalizowanego pod instrukcje wyższego zestawu po prostu się nie powiedzie, ale w dzisiejszych czasach kiedy dostępny jest zestaw instrukcji SSE3, można sobie pozwolić na minimum SSE.