vrecpeq_f32 内在函数的参考实现？

Question

有vrecpeq_f32ARM NEON Intrinsic。

官方解释vrecpeq_f32：https://developer.arm.com/architectures/instruction-sets/intrinsics/#f :@navigationhierarchiessimdisa=[Neon]&q=vrecpeq_f32 。

浮点倒数估计。该指令查找源 SIMD&FP 寄存器中每个向量元素的近似倒数估计，将结果放入向量中，并将该向量写入目标 SIMD&FP 寄存器。

然而，它对我来说仍然不准确。只是想知道我们是否可以用 C/C++ 编写一个参考实现来保持与 完全相同的结果vrecpeq_f32？

我尝试打电话 vrecpeq_f32并得到结果：

float32x4_t v1 = {1, 2, 3, 4};
float32x4_t v_out = vrecpeq_f32(v1);//0.99805, 0.49902, 0.33301, 0.24951

很好奇为什么 1 的倒数是 0.99805 而不是 1.0。

PS 我对如何使用 NEON 内在函数和一些技巧来获得更好的精度倒数结果不感兴趣，例如一次或多次牛顿-拉夫森迭代。

Answer 1

ARM文档提供了伪代码，详细说明了正在执行的确切算法。查找FPRecipEstimate哪个使用定点RecipEstimate。

这可能看起来有很多代码，但其中很大一部分是用来处理各种边缘情况、操作模式和元素大小的。

只是想知道我们是否可以用 C/C++ 编写一个参考实现，使其与 vrecpeq_f32 保持完全相同的结果？

当然！这毕竟归结为位操作，所以没有理由不可行。将其转换为 C++，同时删除大多数边缘情况处理以及扩展精度模式，如下所示：（参见godbolt）

免责声明：这不是该函数的完整实现，仅足以探索精度行为，假设有限的标准化输入，没有特殊情况。不要将其放入代码库中，期望它与一般指令相匹配。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <iomanip>

// Convenience struct to deal with encoding and decoding ieee754 floats
struct float_parts {
    explicit float_parts(float v);
    explicit operator float() const;

    std::uint32_t sign;
    std::uint32_t fraction;
    std::uint32_t exp;
};

// Adapted from:
// https://developer.arm.com/documentation/ddi0596/2021-03/Shared-Pseudocode/Shared-Functions?lang=en#impl-shared.FPRecipEstimate.2

// RecipEstimate()
// ===============
// Compute estimate of reciprocal of 9-bit fixed-point number.
//
// a is in range 256 .. 511 representing a number in
// the range 0.5 <= x < 1.0.
// result is in the range 256 .. 511 representing a
// number in the range 1.0 to 511/256
std::uint32_t RecipEstimate(std::uint32_t a) {
    a = a*2+1;
    std::uint32_t b = (1 << 19) / a;
    return ( b + 1) / 2;
}

// FPRecipEstimate()
// =================
float FPRecipEstimate(float operand) {
    // ([...],sign,[...]) = FPUnpack(operand, [...], [...]);
    // fraction = operand<22:0> : Zeros(29);
    // exp = UInt(operand<30:23>);
    float_parts parts{operand};    

    // scaled = UInt('1':fraction<51:44>);
    std::uint32_t scaled = 0x100 | ((parts.fraction >> 15) & 0xFF) ;

    // when 32 result_exp =  253 - exp; // In range 253-254 = -1 to 253+1 = 254
    parts.exp = 253 - parts.exp;

    // // Scaled is in range 256 .. 511 representing a
    // // fixed-point number in range [0.5 .. 1.0].
    // estimate = RecipEstimate(scaled, increasedprecision);
    std::uint32_t estimate = RecipEstimate(scaled);

    // fraction = estimate<11:0> : Zeros(40);
    parts.fraction = (estimate & 0xff ) << 15;

    return float(parts);
}

int main() {
    std::cout << std::setprecision(5) 
              << FPRecipEstimate(1.0f) << "\n"
              << FPRecipEstimate(2.0f) << "\n"
              << FPRecipEstimate(3.0f) << "\n"
              << FPRecipEstimate(4.0f);
}

float_parts::float_parts(float v) {
    std::uint32_t v_bits;
    std::memcpy(&v_bits, &v, sizeof(float));

    sign = (v_bits >> 31) & 0x1;
    fraction = v_bits & ((1 << 23) - 1);
    exp = (v_bits >> 23) & 0xff;
}

float_parts::operator float() const {
    std::uint32_t v_bits = 
        ((sign & 0x1) << 31) |
        (fraction & ((1 << 23) - 1)) |
        ((exp & 0xff) << 23);

    float result;
    std::memcpy(&result, &v_bits, sizeof(float));
    return result;
}

产生预期值：

0.99805
0.49902
0.33301
0.24951