如何优化从半精度 float16 到单精度 float32 的转换？

Question

我正在尝试提高我的功能的性能。Profiler指向内循环的代码。我可以使用 SSE 内在函数来提高该代码的性能吗？

void ConvertImageFrom_R16_FLOAT_To_R32_FLOAT(char* buffer, void* convertedData, DWORD width, DWORD height, UINT rowPitch)
{
    struct SINGLE_FLOAT
    {
        union {
            struct {
                unsigned __int32 R_m : 23;
                unsigned __int32 R_e : 8;
                unsigned __int32 R_s : 1;
            };
            struct {
                float r;
            };
        };
    };
    C_ASSERT(sizeof(SINGLE_FLOAT) == 4); // 4 bytes
    struct HALF_FLOAT
    {
        unsigned __int16 R_m : 10;
        unsigned __int16 R_e : 5;
        unsigned __int16 R_s : 1;
    };
    C_ASSERT(sizeof(HALF_FLOAT) == 2);
    SINGLE_FLOAT* d = (SINGLE_FLOAT*)convertedData;
    for(DWORD j = 0; j< height; j++)
    {
        HALF_FLOAT* s = (HALF_FLOAT*)((char*)buffer + rowPitch * j);
        for(DWORD i = 0; i< width; i++)
        {
            d->R_s = s->R_s;
            d->R_e = s->R_e - 15 + 127;
            d->R_m = s->R_m << (23-10);
            d++;
            s++;
        }
    }
}

更新：

拆卸

; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 16.00.40219.01 

    TITLE   Utils.cpp
    .686P
    .XMM
    include listing.inc
    .model  flat

INCLUDELIB LIBCMT
INCLUDELIB OLDNAMES

PUBLIC  ?ConvertImageFrom_R16_FLOAT_To_R32_FLOAT@@YAXPADPAXKKI@Z ; ConvertImageFrom_R16_FLOAT_To_R32_FLOAT
; Function compile flags: /Ogtp
;   COMDAT ?ConvertImageFrom_R16_FLOAT_To_R32_FLOAT@@YAXPADPAXKKI@Z
_TEXT   SEGMENT
_buffer$ = 8                        ; size = 4
tv83 = 12                       ; size = 4
_convertedData$ = 12                    ; size = 4
_width$ = 16                        ; size = 4
_height$ = 20                       ; size = 4
_rowPitch$ = 24                     ; size = 4
?ConvertImageFrom_R16_FLOAT_To_R32_FLOAT@@YAXPADPAXKKI@Z PROC ; ConvertImageFrom_R16_FLOAT_To_R32_FLOAT, COMDAT

; 323  : {

    push    ebp
    mov ebp, esp

; 343  :    for(DWORD j = 0; j< height; j++)

    mov eax, DWORD PTR _height$[ebp]
    push    esi
    mov esi, DWORD PTR _convertedData$[ebp]
    test    eax, eax
    je  SHORT $LN4@ConvertIma

; 324  :    union SINGLE_FLOAT {
; 325  :        struct {
; 326  :            unsigned __int32 R_m : 23;
; 327  :            unsigned __int32 R_e : 8;
; 328  :            unsigned __int32 R_s : 1;
; 329  :        };
; 330  :        struct {
; 331  :            float r;
; 332  :        };
; 333  :    };
; 334  :    C_ASSERT(sizeof(SINGLE_FLOAT) == 4);
; 335  :    struct HALF_FLOAT
; 336  :    {
; 337  :        unsigned __int16 R_m : 10;
; 338  :        unsigned __int16 R_e : 5;
; 339  :        unsigned __int16 R_s : 1;
; 340  :    };
; 341  :    C_ASSERT(sizeof(HALF_FLOAT) == 2);
; 342  :    SINGLE_FLOAT* d = (SINGLE_FLOAT*)convertedData;

    push    ebx
    mov ebx, DWORD PTR _buffer$[ebp]
    push    edi
    mov DWORD PTR tv83[ebp], eax
$LL13@ConvertIma:

; 344  :    {
; 345  :        HALF_FLOAT* s = (HALF_FLOAT*)((char*)buffer + rowPitch * j);
; 346  :        for(DWORD i = 0; i< width; i++)

    mov edi, DWORD PTR _width$[ebp]
    mov edx, ebx
    test    edi, edi
    je  SHORT $LN5@ConvertIma
    npad    1
$LL3@ConvertIma:

; 347  :        {
; 348  :            d->R_s = s->R_s;

    movzx   ecx, WORD PTR [edx]
    movzx   eax, WORD PTR [edx]
    shl ecx, 16                 ; 00000010H
    xor ecx, DWORD PTR [esi]
    shl eax, 16                 ; 00000010H
    and ecx, 2147483647             ; 7fffffffH
    xor ecx, eax
    mov DWORD PTR [esi], ecx

; 349  :            d->R_e = s->R_e - 15 + 127;

    movzx   eax, WORD PTR [edx]
    shr eax, 10                 ; 0000000aH
    and eax, 31                 ; 0000001fH
    add eax, 112                ; 00000070H
    shl eax, 23                 ; 00000017H
    xor eax, ecx
    and eax, 2139095040             ; 7f800000H
    xor eax, ecx
    mov DWORD PTR [esi], eax

; 350  :            d->R_m = s->R_m << (23-10);

    movzx   ecx, WORD PTR [edx]
    and ecx, 1023               ; 000003ffH
    shl ecx, 13                 ; 0000000dH
    and eax, -8388608               ; ff800000H
    or  ecx, eax
    mov DWORD PTR [esi], ecx

; 351  :            d++;

    add esi, 4

; 352  :            s++;

    add edx, 2
    dec edi
    jne SHORT $LL3@ConvertIma
$LN5@ConvertIma:

; 343  :    for(DWORD j = 0; j< height; j++)

    add ebx, DWORD PTR _rowPitch$[ebp]
    dec DWORD PTR tv83[ebp]
    jne SHORT $LL13@ConvertIma
    pop edi
    pop ebx
$LN4@ConvertIma:
    pop esi

; 353  :        }
; 354  :    }
; 355  : }

    pop ebp
    ret 0
?ConvertImageFrom_R16_FLOAT_To_R32_FLOAT@@YAXPADPAXKKI@Z ENDP ; ConvertImageFrom_R16_FLOAT_To_R32_FLOAT
_TEXT   ENDS

Answer 1

x86 F16C 指令集扩展添加了对单精度浮点向量与半精度浮点向量之间的转换的硬件支持。

该格式与您描述的 IEEE 754 半精度二进制 16 相同。我没有检查字节顺序是否与您的结构相同，但如果需要的话很容易修复（使用pshufb）。

从 Intel IvyBridge 和 AMD Piledriver 开始支持 F16C。（并且有自己的 CPUID 功能位，您的代码应该检查该功能位，否则回退到 SIMD 整数移位和洗牌）。

VCVTPS2PH的内在函数是：

__m128i _mm_cvtps_ph ( __m128 m1, const int imm);
__m128i _mm256_cvtps_ph(__m256 m1, const int imm);

立即字节是舍入控制。编译器可以将其用作直接转换并存储到内存的指令（与大多数可以选择使用内存操作数的指令不同，它的源操作数可以是内存而不是寄存器。）

VCVTPH2PS则相反，就像大多数其他 SSE 指令一样（可以在寄存器之间使用或用作负载）。

__m128 _mm_cvtph_ps ( __m128i m1);
__m256 _mm256_cvtph_ps ( __m128i m1)

F16C 非常高效，您可能需要考虑将图像保留为半精度格式，并在每次需要其中的数据向量时即时进行转换。这对于您的缓存占用非常有用。