- FFmpeg'in ilk assembly dersi, multimedya işlemede elle yazılmış SIMD assembly'nin neden gerekli olduğunu ve FFmpeg tarzı fonksiyon yazım kurallarını giriş seviyesinde özetliyor
- Hedef okur kitlesinin C pointer'larını ve lise düzeyinde skaler-vektör ile toplama-çarpma kavramlarını biliyor olması gerekiyor; ders x86 64-bit ve Intel sözdizimi temelinde ilerliyor
- FFmpeg içinde assembly function, SIMD ve vectorise neredeyse aynı anlamda kullanılıyor; birden fazla veri öğesini aynı anda işleme yaklaşımı görüntü, video ve ses işleme için çok uygun
- Performans açısından manuel assembly tercih ediliyor; intrinsics genelde %10~15 daha yavaş kalıyor ve dav1d'nin otomatik vektörleştirmesi yaklaşık 2x, elle yazılmış sürüm ise 8x'e kadar çıkabilen örneklerle karşılaştırılıyor
- İlk örnek fonksiyon
x86inc.asm, INIT_XMM sse2, cglobal, movu, paddb, RET kullanarak iki uint8_t buffer'ının 16 baytlık değerlerini SIMD ile topladıktan sonra sonucu ilk buffer'a geri yazıyor
Dersin amacı ve önkoşul bilgiler
- FFmpeg Assembly Language Lesson One, FFmpeg'de assembly dilinin nasıl yazıldığının temellerini ele alan ve bilgisayarın içinde gerçekte neler olduğunu anlamaya yardımcı olan bir giriş dersidir
- Gerekli bilgiler şunlardır
- C dili, özellikle pointer'lar
- C bilmiyorsanız The C Programming Language öğrenmeniz önerilir
- Lise matematiği düzeyinde skaler ve vektör, toplama ve çarpma kavramları
Assembly dili ve SIMD
- Assembly dili, CPU'nun işlediği komutlara doğrudan karşılık gelen kodun insanlar tarafından okunabilir biçimde yazıldığı bir programlama dilidir
- İnsan tarafından okunabilen assembly kodu, assembler'dan geçerek CPU'nun anlayabildiği makine kodu (machine code) ikili verisine dönüştürülür
- FFmpeg'in assembly kodu çoğunlukla SIMD (Single Instruction Multiple Data) biçimindedir
- Tek bir komut aynı anda birden fazla veri öğesi üzerinde çalışır
- Buna vektör programlama da denir
- Genel skaler programlama ise her seferinde tek bir veri öğesini işler
- SIMD, bellekte art arda yerleştirilmiş çok sayıdaki veriyi işleyen görüntü, video ve ses işleme için çok uygundur
- FFmpeg'de şu ifadeler neredeyse aynı anlamda kullanılır
assembly functionSIMDvectorise- Yani assembly fonksiyonunu elle yazıp birden fazla veri öğesini aynı anda işlemek
FFmpeg neden assembly'yi doğrudan kullanıyor
- Temel amaç multimedya işleme hızını artırmaktır
- Assembly kodu yazarak 10x ve üzeri hızlanma sık görülür
- Gerçek zamanlı video oynatımında takılmayı azaltmak için önemlidir
- Enerji tüketimini düşürüp pil ömrünü uzatabilir
- Video kodlama ve kod çözme fonksiyonları hem son kullanıcı tarafında hem veri merkezlerinde çok yaygın kullanıldığı için, küçük iyileştirmeler bile hızla birikir
- FFmpeg, intrinsics yerine elle yazılmış assembly kullanır
- intrinsics, assembly komutlarına karşılık gelen C benzeri fonksiyonlardır
- Genelde elle yazılmış assembly'den %10~15 daha yavaştır
- Bu oran derleyiciye göre değişebilir ve intrinsics savunucuları buna katılmayabilir
- Hungarian Notation kullanımı nedeniyle okunmasının zor olduğu yönünde görüşler de vardır
- inline assembly, FFmpeg'in bazı eski sürüm kodlarında veya Linux Kernel gibi projelerde hâlâ bulunabilir
- Ayrı bir dosyada değil, doğrudan C kodunun içinde assembly yazma yöntemidir
- FFmpeg gibi projelerde bunun okunmasının zor olduğu, derleyici desteğinin geniş olmadığı ve bakımının güç olduğu görüşü baskındır
- Yalnızca derleyicinin otomatik vektörleştirmesinin yeterli olduğu görüşünün öğrenme amacı açısından göz ardı edilmesi önerilir
- dav1d projesi için yakın tarihli testlerde otomatik vektörleştirme yaklaşık 2x hızlanma göstermiştir
- Elle yazılmış sürüm ise 8x'e kadar çıkabilmiştir
Sözdizimi kapsamı ve başvuru kaynakları
- Ders x86 64-bit assembly üzerine odaklanır
- Buna amd64 da denir ve Intel CPU'larda da çalışır
- ARM, RISC-V gibi diğer CPU'lara yönelik assembly için ileride genişleme ihtimali vardır
- x86 assembly sözdiziminde AT&T ve Intel bulunur
- AT&T sözdizimi daha eskidir ve Intel sözdizimine göre daha zor okunur olarak değerlendirilir
- Derste Intel sözdizimi kullanılır
- Genel kitaplar veya Stack Overflow gibi çevrimiçi kaynaklar, FFmpeg assembly'si için özellikle çok faydalı olmayabilir
- Çünkü elde yazılmış Intel sözdizimli assembly kullanılır
- Çevrimiçi kaynakların çoğu işletim sistemi programlama, donanım programlama veya SIMD dışı koda odaklanır
- FFmpeg assembly'si, yüksek performanslı görüntü işleme için özelleşmiş kendine özgü bir yaklaşımdır
- The Art of 64-bit assembly'nin son bölümlerindeki SIMD komutlarını ve çalışma biçimini görselleştiren diyagramlar faydalı olabilir
- Sorular için bir Discord sunucusu sağlanmıştır
Register temel kavramı
- Register, CPU içinde verinin işlendiği alandır
- CPU bellekte doğrudan işlem yapmaz; veriyi register'a yükler, işler ve ardından tekrar belleğe yazar
- Assembly'de genel olarak bir bellek konumundan başka bir bellek konumuna veri doğrudan kopyalanamaz; önce register üzerinden geçmesi gerekir
Genel amaçlı register'lar
- GPR (General Purpose Register), veri veya bellek adresi tutabilen genel amaçlı register'dır
- Burada en fazla 64-bit değer tutabilir
- Pointer da tutabilir
- Toplama, çarpma, shift gibi işlemler yapılabilir
- Birçok assembly kitabı GPR'lerin ayrıntılarını ve tarihsel arka planını uzun uzun anlatır
- FFmpeg'in assembly kodunda GPR'ler çoğunlukla iskele (scaffolding) gibi kullanılır; karmaşıklığın büyük bölümü ya gerekli değildir ya da soyutlanmıştır
Vektör register'ları ve veri boyutları
- Vektör register'ları birden fazla veri öğesi tutar
- x86'deki başlıca vektör register'ları şunlardır
mm: MMX register'ı, 64-bit boyutunda, tarihsel öneme sahip ve artık pek kullanılmıyorxmm: XMM register'ı, 128-bit boyutunda, yaygın olarak kullanılabilirymm: YMM register'ı, 256-bit boyutunda, kullanırken bazı ek karmaşıklıklar içerirzmm: ZMM register'ı, 512-bit boyutunda, kullanılabilirliği daha sınırlıdır
- Video sıkıştırma ve açma işlemlerindeki hesaplamaların çoğu tamsayı tabanlıdır, bu yüzden ders de tamsayılara odaklanır
- Tek bir
xmm register'ı olan 128-bit şu şekillerde yorumlanabilir
- 16 byte, her biri 8-bit
- 8 word, her biri 16-bit
- 4 doubleword, her biri 32-bit
- 2 quadword, her biri 64-bit
- Kısaltmalar ileride önemli olacaktır
- byte: 8-bit veri
- word: 16-bit veri
- doubleword: 32-bit veri
- quadword: 64-bit veri
- double quadword: 128-bit veri
x86inc.asm'nin rolü
x86inc.asm, FFmpeg, x264 ve dav1d'de kullanılan hafif bir soyutlama katmanıdır- Assembly programcısının kodu daha kolay yazabilmesi için çeşitli özellikler sağlar
- Başlarda önemli özelliklerden biri, GPR'lere
r0, r1, r2 gibi etiketler vermesidir
- Gerçek register adlarını ezberlemeniz gerekmez
- FFmpeg'de GPR'ler çoğunlukla iskele görevi gördüğü için yazım yükünü azaltır
Basit bir skaler asm örneği
mov r0q, 3
inc r0q
dec r0q
imul r0q, 5
- İlk satır, immediate value
3 değerini r0 register'ına quadword olarak yazar
- Immediate value, bellekten alınan bir değer değil, assembly kodunun içinde saklanan değerdir
- Intel sözdiziminde sağdaki kaynak operand soldaki hedef operand'a aktarılır
- Bunu
r0q = 3 gibi okuyabilirsiniz
- Sıralama
memcpy davranışına benzer
r0q içindeki q son eki, register'ın quadword olarak kullanıldığını gösterir- Sonraki işlemler şöyledir
inc ile değer 4 olurdec ile değer yeniden 3 olurimul ile 5 çarpılır ve sonuçta r0q 15 olur
mov, inc gibi insanlar tarafından okunabilen komutlara mnemonic denir
- Assembler bunları makine koduna dönüştürür
- Büyük harf
MOV, INC ile küçük harf mov, inc aynıdır
- FFmpeg'de mnemonic'ler küçük harfle yazılır, büyük harfler ise makrolar için bırakılır
İlk SIMD fonksiyon örneği
%include "x86inc.asm"
SECTION .text
;static void add_values(uint8_t *src, const uint8_t * src2)
INIT_XMM sse2
cglobal add_values, 2, 2, 2, src, src2
movu m0, [srcq]
movu m1, [src2q]
paddb m0, m1
movu [srcq], m0
RET
- Bu fonksiyon
src ve src2 verilerini SIMD ile toplar ve sonucu tekrar src konumuna yazar
%include "x86inc.asm", x264, FFmpeg ve dav1d topluluklarının geliştirdiği yardımcıları, önceden tanımlı adları ve makroları içerirSECTION .text, yürütülecek kodun yer aldığı bölümü gösterir
- Sabit veriler
.data bölümüne konabilir
;static void add_values(uint8_t *src, const uint8_t * src2), C fonksiyon argümanı biçimini gösteren bir yorumdur
- Assembly'de noktalı virgül
;, C'deki // gibi yorum işlevi görür
INIT_XMM sse2, XMM register'larının ve sse2 komut kümesinin kullanılacağını belirtir
- Çünkü
paddb, sse2 komutudur
cglobal add_values, 2, 2, 2, src, src2, C fonksiyonu add_values'i tanımlar
- Fonksiyonun 2 argümanı vardır
- Fonksiyonda kullanılacak GPR sayısı, argümanlar dahil 2'dir
- Kullanılacak XMM register sayısı 2'dir
- Son iki öğe, fonksiyon argümanı etiketleri olan
src ve src2'dir
- Eski kodlarda argüman etiketleri olmadan doğrudan
r0, r1 gibi GPR'ler kullanılabilir
load, packed add, store
movu m0, [srcq]
movu m1, [src2q]
movu, movdqu'nun kısaltılmış biçimidir ve move double quad unaligned anlamına gelir- Alignment ileriki derslerde ele alınacaktır; burada bunu
[srcq] içinden 128-bit taşıyan bir komut olarak düşünebilirsiniz
mov içindeki köşeli parantezler adresin dereference edildiğini gösterir
- Bu, C'deki
*src ile benzer bir kavramdır
- Bu işlem bir load'dur
q son eki pointer boyutunu gösterir
- 64-bit sistemde bu, C pointer boyutu olan 8 bayttır
- x86asm, 32-bit sistemlerde 32-bit kullanır
- Gerçek load işlemi ise 128-bit'tir
- Vektör register'ları
xmm0 gibi tam adlar yerine soyutlanmış m0 ile gösterilir
- Bu, ileride aynı kodu birden çok SIMD register boyutuna uyarlama yaklaşımıyla bağlantılıdır
paddb m0, m1
paddb, her iki register'daki byte öğelerini birbirine eklerp öneki packed anlamına gelir ve vektör komutlarını skaler komutlardan ayırmak için kullanılırb son eki byte düzeyinde toplama yapıldığını gösterir- 16 byte içeren iki register toplandığında, her konumdaki karşılık gelen öğeler
a+q, b+r, c+s şeklinde toplanır
movu [srcq], m0
RET
movu [srcq], m0, sonuç verisini srcq pointer'ının gösterdiği adrese geri yazar
RET, fonksiyonun döndüğünü gösteren bir makrodur- FFmpeg'deki assembly fonksiyonlarının neredeyse tamamı bir değer döndürmekten çok, argüman olarak aldığı veriyi değiştirir
- Ödevlerde, kullanılabilir assembly fonksiyonları için function pointer oluşturma ve bunları kullanma yaklaşımı devam eder
Henüz yorum yok.