Подтвердить что ты не робот

Реализация SSE 4.2 CRC32C в программном обеспечении

Итак, у меня есть проект, который включает контрольные суммы CRC32C, чтобы гарантировать, что данные не были повреждены. Я решил использовать CRC32C, потому что я могу иметь как версию программного обеспечения, так и версию с аппаратным ускорением, если компьютер, на котором работает программное обеспечение, поддерживает SSE 4.2

Я собираюсь с помощью руководства разработчика Intel (vol 2A), который, как представляется, обеспечивает алгоритм, лежащий в основе инструкции crc32. Тем не менее, у меня мало шансов. Руководство разработчика Intel говорит следующее:

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])

Теперь, насколько я могу судить, я делал все до строки, начинающейся с TEMP6 правильно, но я думаю, что я могу либо неправильно понять полиномиальное деление, либо реализовать его неправильно. Если мое понимание верное, 1 / 1 mod 2 = 1, 0 / 1 mod 2 = 0, и оба деления на ноль undefined.

Я не понимаю, как будет работать двоичное деление с 64-битными и 33-битными операндами. Если SRC - 0x00000000, а DEST - 0xFFFFFFFF, TEMP5[63-32] будут все заданные биты, а TEMP5[31-0] будут все несохраненные биты.

Если бы я использовал биты из TEMP5 в качестве числителя, было бы 30 делений на ноль, так как многочлен 11EDC6F41 был всего лишь 33 бита (и поэтому преобразование его в 64-разрядное целое без знака выходит из верхние 30 бит не установлены), поэтому знаменатель не установлен на 30 бит.

Однако, если бы я использовал полином в качестве числителя, нижние 32 бита TEMP5 не были отменены, что привело бы к делению на нуль там, а верхние 30 бит результата были бы равны нулю, так как верхние 30 бит числителя будет равен нулю, как 0 / 1 mod 2 = 0.

Я не понимаю, как это работает? Просто что-то пропало? Или Intel отказалась от некоторых важных шагов в своей документации?

По причине того, что я пошел в руководство разработчика Intel, для того, что, по-видимому, был алгоритмом, который они использовали, заключается в том, что они использовали 33-битный полином, и я хотел сделать вывод идентичным, чего не было, когда я использовал 32-битный полином 1EDC6F41 (показано ниже).

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);
}

Вышеприведенный код создает 4138093821 в качестве вывода, а код операции crc32 создает 2346497208 с помощью ввода 0x00000000.

Извините, если это плохо написано или непонятно по местам, это довольно поздно для меня.

4b9b3361

Ответ 1

Вот как программные, так и аппаратные версии CRC-32C. Версия программного обеспечения оптимизирована для обработки восьми байтов за раз. Версия аппаратного обеспечения оптимизирована для одновременного выполнения трех инструкций crc32q параллельно на одном ядре, поскольку пропускная способность этой команды - один цикл, но задержка составляет три цикла.

/* 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 */

Ответ 2

Отметка Adler ответна правильно и полно, но те, кто ищет быстрый и простой способ интегрировать CRC-32C в свое приложение, могут немного затруднить адаптацию кода, особенно если они используют Windows и .NET.

Я создал библиотеку которая реализует CRC-32C с использованием аппаратного или программного метода в зависимости от доступного оборудования. Он доступен как пакет NuGet для С++ и .NET. Конечно, это openource.

Помимо упаковки кода Mark Adler выше, я нашел простой способ повысить пропускную способность программного обеспечения на 50%. На моем компьютере библиотека теперь достигает 2 ГБ/с в программном обеспечении и более 20 ГБ/с на аппаратном уровне. Для любопытных здесь оптимизированная реализация программного обеспечения:

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;
}

Как вы можете видеть, он просто сжимает больший блок за раз. Он нуждается в более крупной таблице поиска, но он все еще совместим с кешем. Таблица генерируется таким же образом, только с большим количеством строк.

Еще одна вещь, которую я изучил, - это использование инструкции PCLMULQDQ для получения аппаратного ускорения на процессорах AMD. Мне удалось установить исправление Intel CRC для zlib (также доступно на GitHub) к полиному CRC-32C , за исключением магической константы 0x9db42487. Если кто-то может расшифровать этот, сообщите мне. После supersaw7 отличное объяснение по reddit, я портировал также неуловимую константу 0x9db42487, и мне просто нужно найти некоторое время для полировки и тестирования.

Ответ 3

Я сравниваю различные алгоритмы здесь: https://github.com/htot/crc32c

Самый быстрый алгоритм был взят из кода сборки Intels crc_iscsi_v_pcl.asm(который доступен в модифицированной форме в ядре linux) и с использованием оболочки C (crcintelasm.cc), включенной в этот проект.

Чтобы иметь возможность запускать этот код на 32-битных платформах, сначала он портирован на C (crc32intelc), где это возможно, требуется небольшое количество встроенной сборки. Некоторые части кода зависят от битности, crc32q недоступен на 32 бита, и ни один из них не является movq, они помещаются в макрос (crc32intel.h) с альтернативным кодом для 32-разрядных платформ.