Implémentation de SSE 4.2's CRC32C dans le logiciel
J'ai donc une conception qui intègre les sommes de contrôle CRC32C pour garantir que les données n'ont pas été endommagées. J'ai décidé d'utiliser CRC32C car je peux avoir à la fois une version logicielle et une version matérielle accélérée si l'ordinateur sur lequel le logiciel fonctionne prend en charge SSE 4.2
Je vais par le manuel du développeur d'Intel (vol 2A), qui semble fournir l'algorithme derrière le crc32 instruction. Cependant, j'ai peu de chance. Le guide du développeur d'Intel dit ce qui suit:
BIT_REFLECT32: DEST[31-0] = SRC[0-31]
MOD2: Remainder from Polynomial division modulus 2
TEMP1[31-0] <- BIT_REFLECT(SRC[31-0])
TEMP2[31-0] <- BIT_REFLECT(DEST[31-0])
TEMP3[63-0] <- TEMP1[31-0] << 32
TEMP4[63-0] <- TEMP2[31-0] << 32
TEMP5[63-0] <- TEMP3[63-0] XOR TEMP4[63-0]
TEMP6[31-0] <- TEMP5[63-0] MOD2 0x11EDC6F41
DEST[31-0] <- BIT_REFLECT(TEMP6[31-0])
Maintenant, pour autant que je sache, j'ai tout fait jusqu'à la ligne commençant par TEMP6 correctement, mais je pense que je peux soit mal comprendre la division polynomiale, soit l'implémenter incorrectement. Si ma compréhension est correcte, 1 / 1 mod 2 = 1, 0 / 1 mod 2 = 0, et les deux divisions par zéro ne sont pas définies.
Ce que je ne comprends pas, c'est comment fonctionnera la division binaire avec des opérandes 64 bits et 33 bits. Si SRC est 0x00000000 et DEST est 0xFFFFFFFF, TEMP5[63-32] sera tous les bits définis, tandis que TEMP5[31-0] sera tous les bits non définis.
Si je devais utiliser les bits de TEMP5 comme numérateur, il y aurait 30 divisions par zéro comme polynôme 11EDC6F41 ne fait que 33 bits (et donc sa conversion en un entier non signé 64 bits laisse les 30 premiers bits non définis), et donc le dénominateur est non défini pour 30 bits.
Cependant, si je devais utiliser le polynôme comme numérateur, les 32 derniers bits de TEMP5 ne sont pas définis, ce qui entraîne des divisions par zéro, et les 30 premiers bits du résultat seraient nuls, car les 30 premiers bits du numérateur seraient nuls, comme 0 / 1 mod 2 = 0.
Suis-je mal comprendre comment cela fonctionne? Il vous manque simplement quelque chose? Ou Intel a-t-il omis une étape cruciale dans sa documentation?
La raison pour laquelle je suis allé dans le guide du développeur d'Intel pour ce qui semblait être l'algorithme utilisé était parce qu'ils utilisaient un polynôme 33 bits, et je voulais que les sorties soient identiques, ce qui ne s'est pas produit lorsque j'ai utilisé le polynôme 32 bits 1EDC6F41 (voir ci-dessous).
uint32_t poly = 0x1EDC6F41, sres, crcTable[256], data = 0x00000000;
for (n = 0; n < 256; n++) {
sres = n;
for (k = 0; k < 8; k++)
sres = (sres & 1) == 1 ? poly ^ (sres >> 1) : (sres >> 1);
crcTable[n] = sres;
}
sres = 0xFFFFFFFF;
for (n = 0; n < 4; n++) {
sres = crcTable[(sres ^ data) & 0xFF] ^ (sres >> 8);
}
Le code ci-dessus produit 4138093821 en sortie, et le crc32 l'opcode produit 2346497208 en utilisant l'entrée 0x00000000.
Désolé si c'est mal écrit ou incompréhensible par endroits, c'est assez tard pour moi.
Voici les versions logicielles et matérielles du CRC-32C. La version du logiciel est optimisée pour traiter huit octets à la fois. La version matérielle est optimisée pour exécuter trois crc32q les instructions efficacement en parallèle sur un seul cœur, car le débit de cette instruction est d'un cycle, mais la latence est de trois cycles.
/* crc32c.c -- compute CRC-32C using the Intel crc32 instruction
* Copyright (C) 2013 Mark Adler
* Version 1.1 1 Aug 2013 Mark Adler
*/
/*
This software is provided 'as-is', without any express or implied
warranty. In no event will the author be held liable for any damages
arising from the use of this software.
Permission is granted to anyone to use this software for any purpose,
including commercial applications, and to alter it and redistribute it
freely, subject to the following restrictions:
1. The Origin of this software must not be misrepresented; you must not
claim that you wrote the original software. If you use this software
in a product, an acknowledgment in the product documentation would be
appreciated but is not required.
2. Altered source versions must be plainly marked as such, and must not be
misrepresented as being the original software.
3. This notice may not be removed or altered from any source distribution.
Mark Adler
[email protected]
*/
/* Use hardware CRC instruction on Intel SSE 4.2 processors. This computes a
CRC-32C, *not* the CRC-32 used by Ethernet and Zip, gzip, etc. A software
version is provided as a fall-back, as well as for speed comparisons. */
/* Version history:
1.0 10 Feb 2013 First version
1.1 1 Aug 2013 Correct comments on why three crc instructions in parallel
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
/* CRC-32C (iSCSI) polynomial in reversed bit order. */
#define POLY 0x82f63b78
/* Table for a quadword-at-a-time software crc. */
static pthread_once_t crc32c_once_sw = PTHREAD_ONCE_INIT;
static uint32_t crc32c_table[8][256];
/* Construct table for software CRC-32C calculation. */
static void crc32c_init_sw(void)
{
uint32_t n, crc, k;
for (n = 0; n < 256; n++) {
crc = n;
crc = crc & 1 ? (crc >> 1) ^ POLY : crc >> 1;
crc = crc & 1 ? (crc >> 1) ^ POLY : crc >> 1;
crc = crc & 1 ? (crc >> 1) ^ POLY : crc >> 1;
crc = crc & 1 ? (crc >> 1) ^ POLY : crc >> 1;
crc = crc & 1 ? (crc >> 1) ^ POLY : crc >> 1;
crc = crc & 1 ? (crc >> 1) ^ POLY : crc >> 1;
crc = crc & 1 ? (crc >> 1) ^ POLY : crc >> 1;
crc = crc & 1 ? (crc >> 1) ^ POLY : crc >> 1;
crc32c_table[0][n] = crc;
}
for (n = 0; n < 256; n++) {
crc = crc32c_table[0][n];
for (k = 1; k < 8; k++) {
crc = crc32c_table[0][crc & 0xff] ^ (crc >> 8);
crc32c_table[k][n] = crc;
}
}
}
/* Table-driven software version as a fall-back. This is about 15 times slower
than using the hardware instructions. This assumes little-endian integers,
as is the case on Intel processors that the assembler code here is for. */
static uint32_t crc32c_sw(uint32_t crci, const void *buf, size_t len)
{
const unsigned char *next = buf;
uint64_t crc;
pthread_once(&crc32c_once_sw, crc32c_init_sw);
crc = crci ^ 0xffffffff;
while (len && ((uintptr_t)next & 7) != 0) {
crc = crc32c_table[0][(crc ^ *next++) & 0xff] ^ (crc >> 8);
len--;
}
while (len >= 8) {
crc ^= *(uint64_t *)next;
crc = crc32c_table[7][crc & 0xff] ^
crc32c_table[6][(crc >> 8) & 0xff] ^
crc32c_table[5][(crc >> 16) & 0xff] ^
crc32c_table[4][(crc >> 24) & 0xff] ^
crc32c_table[3][(crc >> 32) & 0xff] ^
crc32c_table[2][(crc >> 40) & 0xff] ^
crc32c_table[1][(crc >> 48) & 0xff] ^
crc32c_table[0][crc >> 56];
next += 8;
len -= 8;
}
while (len) {
crc = crc32c_table[0][(crc ^ *next++) & 0xff] ^ (crc >> 8);
len--;
}
return (uint32_t)crc ^ 0xffffffff;
}
/* Multiply a matrix times a vector over the Galois field of two elements,
GF(2). Each element is a bit in an unsigned integer. mat must have at
least as many entries as the power of two for most significant one bit in
vec. */
static inline uint32_t gf2_matrix_times(uint32_t *mat, uint32_t vec)
{
uint32_t sum;
sum = 0;
while (vec) {
if (vec & 1)
sum ^= *mat;
vec >>= 1;
mat++;
}
return sum;
}
/* Multiply a matrix by itself over GF(2). Both mat and square must have 32
rows. */
static inline void gf2_matrix_square(uint32_t *square, uint32_t *mat)
{
int n;
for (n = 0; n < 32; n++)
square[n] = gf2_matrix_times(mat, mat[n]);
}
/* Construct an operator to apply len zeros to a crc. len must be a power of
two. If len is not a power of two, then the result is the same as for the
largest power of two less than len. The result for len == 0 is the same as
for len == 1. A version of this routine could be easily written for any
len, but that is not needed for this application. */
static void crc32c_zeros_op(uint32_t *even, size_t len)
{
int n;
uint32_t row;
uint32_t odd[32]; /* odd-power-of-two zeros operator */
/* put operator for one zero bit in odd */
odd[0] = POLY; /* CRC-32C polynomial */
row = 1;
for (n = 1; n < 32; n++) {
odd[n] = row;
row <<= 1;
}
/* put operator for two zero bits in even */
gf2_matrix_square(even, odd);
/* put operator for four zero bits in odd */
gf2_matrix_square(odd, even);
/* first square will put the operator for one zero byte (eight zero bits),
in even -- next square puts operator for two zero bytes in odd, and so
on, until len has been rotated down to zero */
do {
gf2_matrix_square(even, odd);
len >>= 1;
if (len == 0)
return;
gf2_matrix_square(odd, even);
len >>= 1;
} while (len);
/* answer ended up in odd -- copy to even */
for (n = 0; n < 32; n++)
even[n] = odd[n];
}
/* Take a length and build four lookup tables for applying the zeros operator
for that length, byte-by-byte on the operand. */
static void crc32c_zeros(uint32_t zeros[][256], size_t len)
{
uint32_t n;
uint32_t op[32];
crc32c_zeros_op(op, len);
for (n = 0; n < 256; n++) {
zeros[0][n] = gf2_matrix_times(op, n);
zeros[1][n] = gf2_matrix_times(op, n << 8);
zeros[2][n] = gf2_matrix_times(op, n << 16);
zeros[3][n] = gf2_matrix_times(op, n << 24);
}
}
/* Apply the zeros operator table to crc. */
static inline uint32_t crc32c_shift(uint32_t zeros[][256], uint32_t crc)
{
return zeros[0][crc & 0xff] ^ zeros[1][(crc >> 8) & 0xff] ^
zeros[2][(crc >> 16) & 0xff] ^ zeros[3][crc >> 24];
}
/* Block sizes for three-way parallel crc computation. LONG and SHORT must
both be powers of two. The associated string constants must be set
accordingly, for use in constructing the assembler instructions. */
#define LONG 8192
#define LONGx1 "8192"
#define LONGx2 "16384"
#define SHORT 256
#define SHORTx1 "256"
#define SHORTx2 "512"
/* Tables for hardware crc that shift a crc by LONG and SHORT zeros. */
static pthread_once_t crc32c_once_hw = PTHREAD_ONCE_INIT;
static uint32_t crc32c_long[4][256];
static uint32_t crc32c_short[4][256];
/* Initialize tables for shifting crcs. */
static void crc32c_init_hw(void)
{
crc32c_zeros(crc32c_long, LONG);
crc32c_zeros(crc32c_short, SHORT);
}
/* Compute CRC-32C using the Intel hardware instruction. */
static uint32_t crc32c_hw(uint32_t crc, const void *buf, size_t len)
{
const unsigned char *next = buf;
const unsigned char *end;
uint64_t crc0, crc1, crc2; /* need to be 64 bits for crc32q */
/* populate shift tables the first time through */
pthread_once(&crc32c_once_hw, crc32c_init_hw);
/* pre-process the crc */
crc0 = crc ^ 0xffffffff;
/* compute the crc for up to seven leading bytes to bring the data pointer
to an eight-byte boundary */
while (len && ((uintptr_t)next & 7) != 0) {
__asm__("crc32b\t" "(%1), %0"
: "=r"(crc0)
: "r"(next), "0"(crc0));
next++;
len--;
}
/* compute the crc on sets of LONG*3 bytes, executing three independent crc
instructions, each on LONG bytes -- this is optimized for the Nehalem,
Westmere, Sandy Bridge, and Ivy Bridge architectures, which have a
throughput of one crc per cycle, but a latency of three cycles */
while (len >= LONG*3) {
crc1 = 0;
crc2 = 0;
end = next + LONG;
do {
__asm__("crc32q\t" "(%3), %0\n\t"
"crc32q\t" LONGx1 "(%3), %1\n\t"
"crc32q\t" LONGx2 "(%3), %2"
: "=r"(crc0), "=r"(crc1), "=r"(crc2)
: "r"(next), "0"(crc0), "1"(crc1), "2"(crc2));
next += 8;
} while (next < end);
crc0 = crc32c_shift(crc32c_long, crc0) ^ crc1;
crc0 = crc32c_shift(crc32c_long, crc0) ^ crc2;
next += LONG*2;
len -= LONG*3;
}
/* do the same thing, but now on SHORT*3 blocks for the remaining data less
than a LONG*3 block */
while (len >= SHORT*3) {
crc1 = 0;
crc2 = 0;
end = next + SHORT;
do {
__asm__("crc32q\t" "(%3), %0\n\t"
"crc32q\t" SHORTx1 "(%3), %1\n\t"
"crc32q\t" SHORTx2 "(%3), %2"
: "=r"(crc0), "=r"(crc1), "=r"(crc2)
: "r"(next), "0"(crc0), "1"(crc1), "2"(crc2));
next += 8;
} while (next < end);
crc0 = crc32c_shift(crc32c_short, crc0) ^ crc1;
crc0 = crc32c_shift(crc32c_short, crc0) ^ crc2;
next += SHORT*2;
len -= SHORT*3;
}
/* compute the crc on the remaining eight-byte units less than a SHORT*3
block */
end = next + (len - (len & 7));
while (next < end) {
__asm__("crc32q\t" "(%1), %0"
: "=r"(crc0)
: "r"(next), "0"(crc0));
next += 8;
}
len &= 7;
/* compute the crc for up to seven trailing bytes */
while (len) {
__asm__("crc32b\t" "(%1), %0"
: "=r"(crc0)
: "r"(next), "0"(crc0));
next++;
len--;
}
/* return a post-processed crc */
return (uint32_t)crc0 ^ 0xffffffff;
}
/* Check for SSE 4.2. SSE 4.2 was first supported in Nehalem processors
introduced in November, 2008. This does not check for the existence of the
cpuid instruction itself, which was introduced on the 486SL in 1992, so this
will fail on earlier x86 processors. cpuid works on all Pentium and later
processors. */
#define SSE42(have) \
do { \
uint32_t eax, ecx; \
eax = 1; \
__asm__("cpuid" \
: "=c"(ecx) \
: "a"(eax) \
: "%ebx", "%edx"); \
(have) = (ecx >> 20) & 1; \
} while (0)
/* Compute a CRC-32C. If the crc32 instruction is available, use the hardware
version. Otherwise, use the software version. */
uint32_t crc32c(uint32_t crc, const void *buf, size_t len)
{
int sse42;
SSE42(sse42);
return sse42 ? crc32c_hw(crc, buf, len) : crc32c_sw(crc, buf, len);
}
#ifdef TEST
#define SIZE (262144*3)
#define CHUNK SIZE
int main(int argc, char **argv)
{
char *buf;
ssize_t got;
size_t off, n;
uint32_t crc;
(void)argv;
crc = 0;
buf = malloc(SIZE);
if (buf == NULL) {
fputs("out of memory", stderr);
return 1;
}
while ((got = read(0, buf, SIZE)) > 0) {
off = 0;
do {
n = (size_t)got - off;
if (n > CHUNK)
n = CHUNK;
crc = argc > 1 ? crc32c_sw(crc, buf + off, n) :
crc32c(crc, buf + off, n);
off += n;
} while (off < (size_t)got);
}
free(buf);
if (got == -1) {
fputs("read error\n", stderr);
return 1;
}
printf("%08x\n", crc);
return 0;
}
#endif /* TEST */
La réponse de Mark Adler est correcte et complète, mais ceux qui cherchent un moyen rapide et facile d'intégrer le CRC-32C dans leur application pourraient trouver un peu difficile d'adapter le code, surtout s'ils utilisent Windows et .NET.
J'ai créé une bibliothèque qui implémente CRC-32C en utilisant une méthode matérielle ou logicielle en fonction du matériel disponible. Il est disponible en tant que package NuGet pour C++ et .NET. C'est open source bien sûr.
Outre l'empaquetage du code de Mark Adler ci-dessus, j'ai trouvé un moyen simple d'améliorer le débit du logiciel de secours de 50%. Sur mon ordinateur, la bibliothèque atteint désormais 2 Go/s en logiciel et plus de 20 Go/s en matériel. Pour les curieux, voici l'implémentation logicielle optimisée:
static uint32_t append_table(uint32_t crci, buffer input, size_t length)
{
buffer next = input;
#ifdef _M_X64
uint64_t crc;
#else
uint32_t crc;
#endif
crc = crci ^ 0xffffffff;
#ifdef _M_X64
while (length && ((uintptr_t)next & 7) != 0)
{
crc = table[0][(crc ^ *next++) & 0xff] ^ (crc >> 8);
--length;
}
while (length >= 16)
{
crc ^= *(uint64_t *)next;
uint64_t high = *(uint64_t *)(next + 8);
crc = table[15][crc & 0xff]
^ table[14][(crc >> 8) & 0xff]
^ table[13][(crc >> 16) & 0xff]
^ table[12][(crc >> 24) & 0xff]
^ table[11][(crc >> 32) & 0xff]
^ table[10][(crc >> 40) & 0xff]
^ table[9][(crc >> 48) & 0xff]
^ table[8][crc >> 56]
^ table[7][high & 0xff]
^ table[6][(high >> 8) & 0xff]
^ table[5][(high >> 16) & 0xff]
^ table[4][(high >> 24) & 0xff]
^ table[3][(high >> 32) & 0xff]
^ table[2][(high >> 40) & 0xff]
^ table[1][(high >> 48) & 0xff]
^ table[0][high >> 56];
next += 16;
length -= 16;
}
#else
while (length && ((uintptr_t)next & 3) != 0)
{
crc = table[0][(crc ^ *next++) & 0xff] ^ (crc >> 8);
--length;
}
while (length >= 12)
{
crc ^= *(uint32_t *)next;
uint32_t high = *(uint32_t *)(next + 4);
uint32_t high2 = *(uint32_t *)(next + 8);
crc = table[11][crc & 0xff]
^ table[10][(crc >> 8) & 0xff]
^ table[9][(crc >> 16) & 0xff]
^ table[8][crc >> 24]
^ table[7][high & 0xff]
^ table[6][(high >> 8) & 0xff]
^ table[5][(high >> 16) & 0xff]
^ table[4][high >> 24]
^ table[3][high2 & 0xff]
^ table[2][(high2 >> 8) & 0xff]
^ table[1][(high2 >> 16) & 0xff]
^ table[0][high2 >> 24];
next += 12;
length -= 12;
}
#endif
while (length)
{
crc = table[0][(crc ^ *next++) & 0xff] ^ (crc >> 8);
--length;
}
return (uint32_t)crc ^ 0xffffffff;
}
Comme vous pouvez le voir, il croque simplement un bloc plus grand à la fois. Il a besoin d'une table de recherche plus grande, mais il est toujours compatible avec le cache. Le tableau est généré de la même manière, uniquement avec plus de lignes.
Une autre chose que j'ai explorée est l'utilisation de l'instruction PCLMULQDQ pour obtenir une accélération matérielle sur les processeurs AMD. J'ai réussi à porter le correctif Intel CRC pour zlib (également disponible sur GitHub ) au polynôme CRC-32C sauf la constante magique 0x9db42487 . Si quelqu'un est capable de déchiffrer celui-ci, faites-le moi savoir. Après excellente explication de supersaw7 sur reddit , j'ai également porté la constante insaisissable 0x9db42487 et j'ai juste besoin de trouver du temps pour la peaufiner et la tester.
Je compare différents algorithmes ici: https://github.com/htot/crc32c
L'algorithme le plus rapide a été emprunté au code d'assemblage Intels crc_iscsi_v_pcl.asm (qui est disponible sous une forme modifiée dans le noyau linux) et à l'aide d'un wrapper C (crcintelasm.cc) inclus dans ce projet.
Pour pouvoir exécuter ce code sur des plates-formes 32 bits, il a d'abord été porté sur C (crc32intelc) lorsque cela est possible, une petite quantité d'assemblage en ligne est requise. Certaines parties du code dépendent du témoin, crc32q n'est pas disponible sur 32 bits et movq non plus, ceux-ci sont mis dans des macros (crc32intel.h) avec un code alternatif pour les plates-formes 32 bits.