Intel 内部指令 --- AVX和AVX2学习笔记

AVX编程基础

数据类型

数据类型	描述
__m128	包含4个float类型数字的向量
__m128d	包含2个double类型数字的向量
__m128i	包含若干个整型数字的向量
__m256	包含8个float类型数字的向量
__m256d	包含4个double类型数字的向量
__m256i	包含若干个整型数字的向量

• 每一种类型，从2个下划线开头，接一个m，然后是vector的位长度。
• 如果向量类型是以d结束的，那么向量里面是double类型的数字。如果没有后缀，就代表向量只包含float类型的数字。
• 整形的向量可以包含各种类型的整形数，例如char,short,unsigned long long。也就是说，__m256i可以包含32个char，16个short类型，8个int类型，4个long类型。这些整形数可以是有符号类型也可以是无符号类型。

函数命名约定

_mm__

• 表明了向量的位长度，对于128位的向量，这个参数为空，对于256位的向量，这个参数为256。
• 描述了内联函数的算术操作。
• 标识函数主参数的数据类型。

-ps 包含float类型的向量
pd 包含double类型的向量
epi8/epi16/epi32/epi64 包含8位/16位/32位/64位的有符号整数
epu8/epu16/epu32/epu64 包含8位/16位/32位/64位的无符号整数
si128/si256 未指定的128位或者256位向量
m128/m128i/m128d/m256/m256i/m256d 当输入向量类型与返回向量的类型不同时，标识输入向量类型

初始化函数

用标量值初始化

数据类型	描述
_mm256_setzero_ps/pd	返回一个全0的float类型的向量
_mm256_setzero_si256	返回一个全0的整形向量
_mm256_set1_ps/pd	用一个float类型的数填充向量
_mm256_set1_epi8/epi16/epi32/epi64x	用整形数填充向量
_mm256_set_ps/pd	用8个float或者4个double类型数字初始化向量
_mm256_set_epi8/epi16/epi32/epi64x	用一个整形数初始化向量
_mm256_set_m128/m128d/m128i	用2个128位的向量初始化一个256位向量
_mm256_setr_ps/pd	用8个float或者4个double的转置顺序初始化向量
_mm256_setr_epi8/epi16/epi32/epi64x	用若干个整形数的转置顺序初始化向量

从内存中加载数据

数据类型	描述
_mm256_load_ps/pd	从对齐的内存地址加载浮点向量
_mm256_load_si256	从对齐的内存地址加载整形向量
_mm256_loadu_ps/pd	从未对齐的内存地址加载浮点向量
_mm256_loadu_si256	从未对齐的内存地址加载整形向量
_mm_maskload_ps/pd	根据掩码加载128位浮点向量的部分
_mm256_maskload_ps/pd	根据掩码加载256位浮点向量的部分
(2)_mm_maskload_epi32/64	根据掩码加载128位整形向量的部分
(2)_mm256_maskload_epi32/64	根据掩码加载256位整形向量的部分

最后2个函数前面有一个(2)，代表这两个函数只在AVX2中支持。

算术本质

加减法

数据类型	描述
_mm256_add_ps/pd	对两个浮点向量做加法
_mm256_sub_ps/pd	对两个浮点向量做减法
(2)_mm256_add_epi8/16/32/64	对两个整形向量做加法
(2)_mm256_sub_epi8/16/32/64	对两个整形向量做减法
(2)_mm256_adds_epi8/16 (2)_mm256_adds_epu8/16	两个整数向量相加且考虑内存饱和问题
(2)_mm256_subs_epi8/16 (2)_mm256_subs_epu8/16	两个整数向量相减且考虑内存饱和问题
_mm256_hadd_ps/pd	水平方向上对两个float类型向量做加法
_mm256_hsub_ps/pd	垂直方向上最两个float类型向量做减法
(2)_mm256_hadd_epi16/32	水平方向上对两个整形向量做加法
(2)_mm256_hsub_epi16/32	水平方向上最两个整形向量做减法
(2)_mm256_hadds_epi16	对两个包含short类型的向量做加法且考虑内存饱和的问题
(2)_mm256_hsubs_epi16	对两个包含short类型的向量做减法且考虑内存饱和的问题
_mm256_addsub_ps/pd	加上和减去两个float类型的向量

将饱和度考虑在内的函数将结果钳制到可以存储的最小/最大值。没有饱和的函数在饱和发生时忽略内存问题。

而在水平方向上做加减法的意思如下图：
最后一个指令：_mm256_addsub_ps/pd 在偶数位置减去，奇数位置加上，获最后得目标向量。

乘除法

数据类型	描述
_mm256_mul_ps/pd	对两个float类型的向量进行相乘
(2)_mm256_mul_epi32 (2)_mm256_mul_epu32	将包含32位整数的向量的最低四个元素相乘
(2)_mm256_mullo_epi16/32	Multiply integers and store low halves
(2)_mm256_mulhi_epi16 (2)_mm256_mulhi_epu16	Multiply integers and store high halves
(2)_mm256_mulhrs_epi16	Multiply 16-bit elements to form 32-bit elements
_mm256_div_ps/pd	对两个float类型的向量进行想除

融合乘法和加法

数据类型	描述
(2)_mm_fmadd_ps/pd/ (2)_mm256_fmadd_ps/pd	将两个向量相乘，再将积加上第三个。(res=a*b+c)
(2)_mm_fmsub_ps/pd/ (2)_mm256_fmsub_ps/pd	将两个向量相乘，然后从乘积中减去一个向量。(res=a*b-c)
(2)_mm_fmadd_ss/sd	将向量中最低的元素相乘并相加（res[0]=a[0]*b[0]+c[0])
(2)_mm_fmsub_ss/sd	将向量中最低的元素相乘并相减（res[0]=a[0]*b[0]-c[0])
(2)_mm_fnmadd_ps/pd (2)_mm256_fnmadd_ps/pd	将两个向量相乘，并将负积加到第三个。(res = -(a * b) + c)
(2)_mm_fnmsub_ps/pd/ (2)_mm256_fnmsub_ps/pd	将两个向量相乘，并将负积加到第三个 (res = -(a * b) - c)
(2)_mm_fnmadd_ss/sd	将两个向量的低位相乘，并将负积加到第三个向量的低位。(res[0] = -(a[0] * b[0]) + c[0])
(2)_mm_fnmsub_ss/sd	将最低的元素相乘，并从求反的积中减去第三个向量的最低元素。(res[0] = -(a[0] * b[0]) - c[0])
(2)_mm_fmaddsub_ps/pd/ (2)_mm256_fmaddsub_ps/pd	将两个矢量相乘，然后从乘积中交替加上和减去（res=a*b+/-c)
(2)_mm_fmsubadd_ps/pd/ (2)_mmf256_fmsubadd_ps/pd	将两个向量相乘，然后从乘积中交替地进行减法和加法（res=a*b-/+c）（奇数次方，偶数次方）

排列和洗牌

排列

数据类型	描述
_mm_permute_ps/pd _mm256_permute_ps/pd	根据8位控制值从输入向量中选择元素
(2)_mm256_permute4x64_pd/ (2)_mm256_permute4x64_epi64	根据8位控制值从输入向量中选择64位元素
_mm256_permute2f128_ps/pd	基于8位控制值从两个输入向量中选择128位块
_mm256_permute2f128_si256	基于8位控制值从两个输入向量中选择128位块
_mm_permutevar_ps/pd _mm256_permutevar_ps/pd	根据整数向量中的位从输入向量中选择元素
(2)_mm256_permutevar8x32_ps (2)_mm256_permutevar8x32_epi32	使用整数向量中的索引选择32位元素（浮点和整数）

Shuffle

数据类型	描述
_mm256_shuffle_ps/pd	根据8位值选择浮点元素
_mm256_shuffle_epi8/ _mm256_shuffle_epi32	根据8位值选择整数元素
(2)_mm256_shufflelo_epi16/ (2)_mm256_shufflehi_epi16	基于8位控制值从两个输入向量中选择128位块

对于_mm256_shuffle_pd，只使用控制值的高4位。如果输入向量包含int或float，则使用所有控制位。对于_mm256_shuffle_ps，前两对位从第一个矢量中选择元素，第二对位从第二个矢量中选择元素。

参考博客

https://blog.triplez.cn/avx-avx2-learning-notes/