Assembler

V dnešní části seriálu o programovacím jazyku C3 se budeme zabývat tím, jakým způsobem je možné zkombinovat zdrojový kód v jazyku C3 s assemblerem. Jedná se přitom o jednu z klíčových vlastností programovacího jazyka C3.

Zaměříme se na instrukce sloužící pro řízení toku dat (control-flow). Ty jsou použity při překladu zdrojových kódů s běžným rozvětvením, vícenásobným rozvětvením, programovými smyčkami i s ternárními operátory.

Navážeme na článek o zpracování skalárů i vektorů s prvky typu half float (FP16). Zabývat se budeme především „vektorovým“ rozšířením překladače GCC i překladem operací s vektory do instrukční sady A64 s rozšířením NEON.

Programátoři, zabývající se generativní AI či zpracováním přirozeného jazyka, se často setkávají s vektory obsahujícími prvky typu half float (FP16). Vysvětlíme si, jak se s těmito hodnotami pracuje na platformě AArch64.

Dnes si ukážeme další funkce vestavěné do GCC, jež slouží pro realizaci nízkoúrovňových operací. Zaměříme se na funkce umožnující ve vstupní hodnotě nalézt délku sekvence nulových bitů.

Popíšeme si vestavěné funkce nabízené překladačem GCC, které zajišťují výpočet bitových rotací a taktéž výpočet parity. Zajímat nás bude použitá technologie: způsob překladu těchto funkci do strojového kódu.

V informatice existuje několik oblastí, ve kterých je nutné používat generátory náhodných nebo alespoň pseudonáhodných hodnot. Moderní procesory s architekturou x86–64 pro tento účel nabízí instrukce RDRAND a RDSEED.

Dnes si popíšeme některé funkce (resp. pseudofunkce) vestavěné do překladače GCC, které jsou určeny pro provádění nízkoúrovňových aritmetických operací. Díky nim lze realizovat vícebajtovou aritmetiku atd.

Už jsme si uvedli, jak lze CORDIC použít pro výpočet goniometrických funkcí s hodnotami ve formátu plovoucí řádové binární čárky. Tentýž algoritmus lze upravit i pro práci s formátem pevné řádové binární tečky/čárky.

Na článek o výpočtech s pevnou řádovou tečkou (čárkou) dnes navážeme. Ukážeme si limity této reprezentace numerických hodnot a seznámíme se s algoritmem CORDIC, kterého lze použít pro výpočet goniometrických funkcí, logaritmů atd.

Počítače IBM PC sice mohly být vybaveny matematickým koprocesorem, ovšem v prvním desetiletí existence této platformy se v žádném případě nejednalo o standardní modul; mnohá PC jím vybavena nebyla.

Jednou z vlastností platformy IBM PC byl naprostý chaos vládnoucí grafickém subsystému. Existuje zde však stabilní prvek: textové režimy. Dnes si řekneme, jak se možnosti rozšířily s příchodem karet SVGA.

Už jsme se seznámili s tím, jak zjistit informace o režimech SVGA karet přes VBE a jak se přistupuje do video paměti. Právě zde dochází k problémům, které je nutné řešit. Týká se to i operace typu BitBLT pro přenos rastrových obrázků.

Ukážeme si, jak lze provést přepnutí do zvoleného grafického režimu a jak se do obrazové paměti zapisují jednotlivé pixely, což může být komplikované.

Už jsme se setkali s problematikou grafického subsystému. Dnes si ukážeme využití VBE (VESA BIOS Extension) pro nastavení grafických režimů s vyšším rozlišením a/nebo počtem barev, než nabízel standard VGA.

Jaký byl největší problém systému DOS? Neexistence pokročilejších funkcí, nutnost explicitní konfigurace hardwaru, či něco jiného? Z pohledu programátorů se jednalo o práci s pamětí organizované systémem segment:offset.

Dnes si představíme knihovnu nazvanou PeachPy, která umožňuje realizovat kooperaci mezi skripty v Pythonu a strojovým kódem zapsaným formou strojových instrukcí. PeachPy je v praxi relativně často používána pro „místní“ optimalizace.

Už jsme se setkali s propojením Pythonu s nativními knihovnami naprogramovanými (například) v jazyku C. Dnes si ukážeme jeden z alternativních způsobů, kterým lze z Pythonu volat podprogramy (subrutiny, funkce) v assembleru.

Prozatím jsme se zaměřili na assembler. Proč se však více nepoužívaly překladače vyšších programovacích jazyků? Dnes se na tuto otázku pokusíme částečně odpovědět otestováním několika dobových překladačů jazyka C.

Dnes si ukážeme základy práce s instrukcemi AVX v assembleru, konkrétně v Netwide Assembleru běžícího v Linuxu. Samotné AVX (Advanced Vector Extensions) rozšiřuje možnosti vektorových instrukcí na x86 i x86–64.

Na předchozí dvojici článků o rozšíření instrukční sady SSE2 dnes navážeme. Popíšeme si zbývající instrukce ze sady SSE2, které slouží pro operace prokládání prvků, extrakci či naopak spojování prvků vektorů a podobně.

Dnes si popíšeme a zejména otestujeme vybrané instrukce ze sady SSE2. Řekneme si, jaký je rozdíl mezi trojicí PAND, ANDNPS a ANDPD, způsob provedení bitových a bajtových posunů, ale i specifické vlastnosti vybraných konverzních instrukcí.

Dnes se budeme zabývat vektorizací smyček, v nichž se zpracovávají pole (vektory), což vyžaduje instrukce SSE2 nebo AVX. Důležité bude taktéž zjištění, jak je vektorizován přístup k prvkům pole s volitelným krokem (stride).

Na úvodní článek o automatických vektorizacích prováděných překladači dnes navážeme. Opět se zaměříme na autovektorizace prováděné překladačem GCC, dnes si ale otestujeme poněkud komplikovanější funkce, které se mají optimalizovat.

Proč se většina nově přidaných instrukcí SSE omezuje na práci s hodnotami typu single, když je mnoho aplikací založených na celočíselných datech nebo naopak používá typ double? Odpovědí byla instrukční sada SSE2.

Dokončíme popis rozšíření instrukční sady SSE. Ukážeme si některé netriviální operace, které je možné provádět se skaláry a především s vektory. Jedná se o konverzní operace a taktéž o rozbalování a zabalování prvků vektorů.

Popíšeme si zbylé instrukce pro provádění numerických výpočtů. Také se zmíníme o instrukci pro porovnání prvků vektorů, která má celkem osm různých variant. A nezapomeneme ani na problematiku nekonečných hodnot a hodnot NaN.

Ukážeme si základní způsoby komunikace hlavního programu běžícího na mikrořadiči s PIO programy. Pro tyto účely se používají fronty (FIFO) a vstupní i výstupní posuvné registry.

Po úspěšném a navíc i relativně bezproblémovém zavedení rozšíření MMX vzniklo u konkurence (AMD) rozšíření 3DNow!. To sice nebylo příliš populární, ovšem jednalo se o první krok k rozšíření nazvanému SSE (Streaming SIMD Extension).

Dnes si popíšeme zbylé MMX instrukce a většinu instrukcí použijeme v příkladech. Také si popíšeme instrukční sadu 3DNow! společnosti AMD. Ta nebyla přímou konkurencí MMX, ale spíše první vlaštovkou vedoucí k SSE a AVX.