Реализация CRC32C в SSE 4.2 в программном обеспечении

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

Я собираюсь следовать руководству Intel для разработчиков (том 2А), в котором, как представляется, представлен алгоритм crc32 инструкция. Однако мне немного везет. Руководство разработчика Intel гласит 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 сделал все до старта TEMP6 правильно, но я думаю, что я могу либо неправильно понимать полиномиальное деление, либо неправильно его реализовывать. Если мое понимание верно, 1 / 1 mod 2 = 1, 0 / 1 mod 2 = 0и оба деления на ноль не определены.

Я не понимаю, как будет работать двоичное деление с 64-битными и 33-битными операндами. Если SRC является 0x00000000, а также DEST является 0xFFFFFFFF, TEMP5[63-32] будут все установленные биты, в то время как TEMP5[31-0] будут все неустановленные биты.

Если бы я использовал биты из TEMP5 в качестве числителя, будет 30 делений на ноль в качестве полинома 11EDC6F41 имеет длину всего 33 бита (и, следовательно, преобразование его в 64-разрядное целое число без знака оставляет верхние 30 бит не заданными), и поэтому знаменатель не устанавливается для 30 бит.

Однако, если бы я использовал полином в качестве числителя, нижние 32 бита TEMP5 не устанавливаются, что приводит к делению на ноль, а верхние 30 битов результата будут равны нулю, так как верхние 30 битов числителя будут равны нулю, так как 0 / 1 mod 2 = 0,

Я неправильно понимаю, как это работает? Просто что-то упустил? Или Intel пропустил какой-то важный шаг в своей документации?

Причина, по которой я обратился к руководству для разработчиков Intel по поводу того, что они использовали в качестве алгоритма, заключается в том, что они использовали 33-разрядный полином, и я хотел, чтобы выходные данные были идентичными, чего не было, когда я использовал 32-разрядный полином. 1EDC6F41 (показать 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);
}

Приведенный выше код производит 4138093821 в качестве выхода, а crc32 код операции производит 2346497208 используя вход 0x00000000,

Извините, если это плохо написано или непонятно местами, для меня уже довольно поздно.

25

Решение

Здесь представлены версии программного и аппаратного обеспечения CRC-32C. Версия программного обеспечения оптимизирована для обработки восьми байтов за раз. Версия оборудования оптимизирована для запуска трех crc32q инструкции выполняются параллельно на одном ядре, поскольку пропускная способность этой команды составляет 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
madler@alumni.caltech.edu
*/

/* 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 */
64

Другие решения

Ответ Марка Адлера является правильным и полным, но тем, кто ищет быстрый и простой способ интегрировать CRC-32C в свои приложения, может быть сложно адаптировать код, особенно если они используют Windows и .NET.

Я создал библиотека, которая реализует CRC-32C используя аппаратный или программный метод в зависимости от доступного оборудования. Он доступен в виде пакета NuGet для C ++ и .NET. Это с открытым исходным кодом, конечно.

Помимо упаковки кода Марка Адлера, приведенного выше, я нашел простой способ повысить пропускную способность программного резервирования на 50%. На моем компьютере библиотека теперь достигает 2 ГБ / с в программном обеспечении и более 20 ГБ / с в аппаратном обеспечении. Для тех, кому интересно, вот оптимизированная программная реализация:

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 видите, он просто хрустит большим блоком за раз. Требуется таблица поиска большего размера, но она по-прежнему удобна для кэширования. Таблица генерируется таким же образом, только с большим количеством строк.

Еще одна вещь, которую я исследовал, — это использование инструкции PCLMULQDQ для получения аппаратного ускорения на процессорах AMD. Мне удалось портировать Патч Intel CRC для zlib (также доступно на GitHub) к полиному CRC-32C Кроме магическая константа 0x9db42487. Если кто-нибудь сможет расшифровать это, пожалуйста, дайте мне знать. После отличное объяснение supersaw7 на Reddit, Я портировал также неуловимую константу 0x9db42487, и мне просто нужно найти время, чтобы отполировать и протестировать ее.

12

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 измененной форме в ядре Linux) и использует оболочку C (crcintelasm.cc), включенную в этот проект.

Чтобы иметь возможность запускать этот код на 32-битных платформах, сначала он был портирован на C (crc32intelc), где это возможно, требуется небольшое количество встроенной сборки. Определенные части кода зависят от разрядности, crc32q недоступен на 32 битах и ​​не является movq, они помещаются в макрос (crc32intel.h) с альтернативным кодом для 32-битных платформ.

4
По вопросам рекламы ammmcru@yandex.ru
Adblock
detector