如何将像素结构加载到 SSE 寄存器中？

Question

我有一个 8 位像素数据结构：

struct __attribute__((aligned(4))) pixels {
    char r;
    char g;
    char b;
    char a;
}

我想使用 SSE 指令来计算这些像素上的某些东西（即 Paeth 变换）。如何将这些像​​素作为 32 位无符号整数加载到 SSE 寄存器中？

Answer 1

使用 SSE2 解压缩无符号像素

好的，使用来自<emmintrin.h> 的 SSE2 整数内在函数首先将事物加载到寄存器的低 32 位：

__m128i xmm0 = _mm_cvtsi32_si128(*(const int*)&pixel);

然后先将这些 8 位值解包成寄存器低 64 位中的 16 位值，用 0 交错：

xmm0 = _mm_unpacklo_epi8(xmm0, _mm_setzero_si128());

然后再次将这些 16 位值解压缩为 32 位值：

xmm0 = _mm_unpacklo_epi16(xmm0, _mm_setzero_si128());

您现在应该在 SSE 寄存器的相应 4 个组件中将每个像素作为 32 位整数。

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使用 SSE2 解压缩签名像素

我刚刚读到，您希望将这些值作为 32 位 有符号 整数，但我想知道 [-127,127] 中的有符号像素有什么意义。但是，如果您的像素值确实可以是负数，则与零的交错将不起作用，因为它将负 8 位数字转换为正 16 位数字（因此将您的数字解释为无符号像素值）。负数必须用1s 而不是0s 扩展，但不幸的是，这必须在逐个组件的基础上动态决定，而 SSE 并不是那么好。

您可以做的是比较负值并使用生成的掩码（幸运的是，它使用1...1 表示真，0...0 表示假）作为 interleavand，而不是零寄存器：

xmm0 = _mm_unpacklo_epi8(xmm0, _mm_cmplt_epi8(xmm0, _mm_setzero_si128()));
xmm0 = _mm_unpacklo_epi16(xmm0, _mm_cmplt_epi16(xmm0, _mm_setzero_si128()));

这将使用1s 正确扩展负数，使用0s 扩展正数。但是，当然，只有当您的初始 8 位像素值可能为负时，才需要这种额外的开销（可能以 2-4 条额外的 SSE 指令的形式），我仍然对此表示怀疑。但如果情况确实如此，您应该考虑signed char 而不是char，因为后者具有实现定义的符号（如果这些是常见的无符号[0,255]像素值，您应该使用unsigned char） )。

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使用移位的替代 SSE2 解包

尽管如前所述，您不需要有符号的 8 位到 32 位的转换，但为了完整起见，harold 对基于 SSE2 的符号有另一个非常好的想法 -扩展，而不是使用上面提到的基于比较的版本。我们首先将 8 位值解压缩到 32 位值的高字节而不是低字节。由于我们不关心较低的部分，我们只是再次使用 8 位值，这使我们无需额外的零寄存器和额外的移动：

xmm0 = _mm_unpacklo_epi8(xmm0, xmm0);
xmm0 = _mm_unpacklo_epi16(xmm0, xmm0);

现在我们只需要执行高字节的算术右移到低字节，这对负值进行正确的符号扩展：

xmm0 = _mm_srai_epi32(xmm0, 24);

这应该比我上面的 SSE2 版本更多的指令计数和寄存器效率。

由于与上述零扩展相比，单个像素的指令数甚至应该相等（尽管在多个像素上摊销时多 1 条指令）并且寄存器效率更高（由于没有额外的零寄存器），所以它如果寄存器很少，甚至可以用于无符号到有符号的转换，但随后使用逻辑移位 (_mm_srli_epi32) 而不是算术移位。

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使用 SSE4 改进解包

感谢 harold 的评论，对于第一个 8 到 32 的转换，还有更好的选择。如果您有 SSE4 支持（准确地说是 SSE4.1），它有指令将寄存器低 32 位中的 4 个压缩 8 位值完全转换为整个寄存器中的 4 个 32 位值，两者都用于有符号和无符号 8 位值：

xmm0 = _mm_cvtepu8_epi32(xmm0);   //or _mm_cvtepi8_epi32 for signed 8-bit values

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使用 SSE2 打包像素

至于后续反转这个变换，我们先把有符号的32位整数打包成有符号的16位整数并饱和：

xmm0 = _mm_packs_epi32(xmm0, xmm0);

然后我们使用饱和度将这些 16 位值打包成无符号的 8 位值：

xmm0 = _mm_packus_epi16(xmm0, xmm0);

然后我们终于可以从寄存器的低 32 位获取像素：

*(int*)&pixel = _mm_cvtsi128_si32(xmm0);

由于饱和，整个过程会自动将任何负值映射到0，并将任何大于255 的值映射到255，这通常用于处理彩色像素。

如果您在将 32 位值打包回unsigned chars 时确实需要截断而不是饱和，那么您需要自己执行此操作，因为 SSE 仅提供饱和打包指令。但这可以通过做一个简单的来实现：

xmm0 = _mm_and_si128(xmm0, _mm_set1_epi32(0xFF));

就在上述包装程序之前。这应该仅相当于 2 条额外的 SSE 指令，或者在分摊到多个像素时仅相当于 1 条额外的指令。