コグノスケ

RISC-Vの命令

目次: RISC-V

最近、何かと関わっているRISC-Vの理解のため、エミュレータを書いてみています。先日購入したHiFive Unleashed（2019年5月26日の日記参照）の1st ROMと2nd ROMを拝借して、Linuxがブートする辺りまで作るのが当面の目標です。

スクラッチから作ると辛いので、ARMv5のエミュレータememu（GitHubへのリンク）をベースにして改造して作っています。まがりなりにもARMv5が動いているんだから、RISC-Vも楽勝だろうと思いきや、世の中そんなに甘くありませんでした。

最初にコケたのはUnalignedな命令ロードです。RISC-VのC拡張をサポートする場合32bit境界ではないアドレスから、32bit命令をロードする場合があります。ARMv5ではUnalignedアクセス例外が発生します。

RISC-Vの命令エンコード

まだ完成していないので、現時点での感想ですが、RISC-Vの命令エンコードは比較的わかりやすい気がします。ただ、ブランチ命令のオフセットは、下記のような並びになっていて、不思議な配置です。

RISC-Vのブランチ命令

今まで見た中で一番見づらいものは、C拡張命令のバイナリです、これは異様に見づらいです。しかしC拡張の目的（命令長を削るため16bit長に無理して詰めている）からすると、仕方ないでしょうね。

C言語とCPUアーキテクチャと除算命令

目次: C言語とlibc

今まであまりCPUアーキテクチャの違いを感じたことはありませんが、除算命令を触っていたところ、アーキテクチャによってかなり動きが違っていて面白かったので、メモしておきます。

プログラムは下記のとおりです。

#include <stdio.h>
#include <limits.h>

void f(int a, int b)
{
        printf("mul:%08x * %08x = %08x\n", a, b, a * b);
        printf("div:%08x / %08 = %08x\n", a, b, a / b);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
        f(INT_MAX, -1);
        f(INT_MIN + 1, -1);
        f(INT_MIN, -1);     //乗算、除算の動作は未定義
        f(INT_MAX, 0);      //除算の動作は未定義
}

初めに断っておくと、コメントを打った箇所については、C言語上の仕様上、動作が未定義です。つまり、どんなことでも起こり得ます。不定な結果が返ることもあるし、プログラムが停止することだってあります。

未定義動作も色々

このプログラムをx86 (x86_64, Ryzen 7 2700), ARM (AArch64, Cortex A53), RISC-V (RV64GC, SiFive FU540) のLinux上でそれぞれ実行してみます。

#### x86_64 ####

mul:7fffffff * ffffffff = 80000001
div:7fffffff / ffffffff = 80000001
mul:80000001 * ffffffff = 7fffffff
div:80000001 / ffffffff = 7fffffff
mul:80000000 * ffffffff = 80000000
Floating point exception


#### AArch64 ####

mul:7fffffff * ffffffff = 80000001
div:7fffffff / ffffffff = 80000001
mul:80000001 * ffffffff = 7fffffff
div:80000001 / ffffffff = 7fffffff
mul:80000000 * ffffffff = 80000000
div:80000000 / ffffffff = 80000000
mul:7fffffff * 00000000 = 00000000
div:7fffffff / 00000000 = 00000000


#### RV64GC ####

mul:7fffffff * ffffffff = 80000001
div:7fffffff / ffffffff = 80000001
mul:80000001 * ffffffff = 7fffffff
div:80000001 / ffffffff = 7fffffff
mul:80000000 * ffffffff = 80000000
div:80000000 / ffffffff = 80000000
mul:7fffffff * 00000000 = 00000000
div:7fffffff / 00000000 = ffffffff

当然ながら、動作が定義されている演算は、どのアーキテクチャでも同じ結果です。当たり前ですね。

• INT_MAX * (-1) = INT_MIN + 1
• INT_MAX / (-1) = INT_MIN + 1
• (INT_MIN + 1) * (-1) = INT_MAX
• (INT_MIN + 1) / (-1) = INT_MAX
• INT_MAX * 0 = 0

一方で動作が未定義の演算は、かなり挙動が変わります。

• INT_MIN * (-1) = INT_MIN
• INT_MIN / (-1) = クラッシュ (x86_64), INT_MIN (AArch64, RV64GC)
• INT_MAX / 0 = クラッシュ (x86_64), 0 (AArch64), -1 (RV64GC)

個性が出ますね。

x86の除算命令の奇妙な仕様

先ほどの例でx86上でINT_MIN / (-1) の除算がクラッシュする原因はidiv命令の仕様です。

Intelの命令仕様書（Intel Architectures Software Developer Manual: Vol 2）のIDIV - Signed Divideのページを見ると、保護モード例外 #DEが発生する条件として、

• ソース・オペランド（除数）が0である場合
• デスティネーションに対して符号付きの結果（商）が大きすぎる場合

この2条件が挙げられています。INT_MIN / (-1) は結果が32bitで表現できないため、後者に引っ掛かるわけです。

異常な演算に対して例外を発生させる設計思想なら分かりますが、乗算命令は異常な結果でも素通しなのに、除算命令は異常な結果だと例外発生します。片手落ちの不思議な仕様です。変なの……。

埼玉を洪水から守る

首都圏外郭放水路 庄和排水機場（埼玉県春日部市）の調圧水槽と第一立坑（たてこう）の見学に行きました。

庄和排水機場の外観

首都圏外郭放水路とは、洪水多発地域の中川流域（埼玉県の東部）を洪水から保護するため、中川、綾瀬川といった中小河川の水を地下経由で引き込み、ポンプで引き上げて江戸川に放流する仕組みです。

首都圏外郭放水路の概要

ちなみに国の施設でして、管轄は国土交通省（サイトへのリンク）です。

見学

見学コースの一つである、調圧水槽は、地下神殿との呼び名もあるほどで、広大な空間とたくさんの柱があります。

柱の役割がわかっていなかったのですが、係の方の説明によると、周りの地下水の浮力で調圧水槽が浮き上がってしまうので、重い天井と柱で、水槽を下に押しつけているそうです。

調圧水槽

第一立坑は高さ70mの大迫力で、一番上の壁沿いに組まれた足場から下を見ることができます。私は高いところが苦手でして、非常に怖かったです。足が進まないし、変な汗が止まりません。

怖すぎて壁際にずっとしがみついていたため、写真を撮る余裕がありませんでした。一緒に行ったみなさまが高いところが平気なようで、写真をバシバシ撮っていましたので、一枚恵んでもらいました。

第一立坑（たてこう）

高いところ（立坑）はもう懲り懲りですが……、今回参加したコースとは別の見学コース（排水ポンプ室に入れる）もあるらしいので、別コースにもぜひ行ってみたいですね。

OpenVX on OpenCL

目次: OpenCL

会社の人にOpenVXの別実装があることを教えてもらったので、試してみました。

以前、ソフトウェア実装のOpenVXライブラリを動かしました（2018年11月14日の日記参照）が、AMDのOpenVXの実装（GitHubへのリンク）を使うと、GPUでOpenVXを動かすことができます。

AMDのOpenVX実装ではありますが、OpenCLを使うのでGPUはRadeonである必要はなく、IntelのGPUでもOKです。これが共通APIたるOpenCLの良いところですね。私は現状Radeonを持っていませんので、Intelの内蔵GPUで動かしてみようと思います。

動かし方

まずOpenVXライブラリをビルドします。Debianであればopencl-c-headers辺りが必要になるはずです。またGPUドライバとしてIntel GPUドライバのOSS実装であるbeignetを使います。Debianであればbeignet-dev, beignet-opencl-icd辺りのパッケージでインストールできます。

$ git clone https://github.com/GPUOpen-ProfessionalCompute-Libraries/amdovx-core
$ cd amdovx-core

$ mkdir build
$ cd build
$ cmake ../
$ make -j4

テストには前回も活躍したOpenVXアプリを使用します。OpenCVのバージョンは3.2です。もし古いバージョンのOpenCVを使っている場合は -lopencv_videoioオプションを外してください（おそらく「そのようなライブラリは存在しない」とエラーが出る）。

g++ solution_exercise1.cpp -Wall -I../include \
  -lopencv_video -lopencv_videoio -lopencv_highgui -lopencv_imgproc -lopencv_core \
  -lopenvx -L/path/to/amdovx-core/build/lib

前回とほぼ同じですので、さほど難しくないと思います。

GPUの実力

ビルドできましたので、実行……をする前に、vxProcessGraphの前後に時間計測のコードを入れておきます。

diff --git a/tutorial_exercises/solution_exercise1/solution_exercise1.cpp b/tutorial_exercises/solution_exercise1/solution_exercise1.cpp
index c7b8e21..ebc07e5 100644
--- a/tutorial_exercises/solution_exercise1/solution_exercise1.cpp
+++ b/tutorial_exercises/solution_exercise1/solution_exercise1.cpp
@@ -30,6 +30,8 @@
  *          Kari Pulli             <kari.pulli@gmail.com>
  */
 
+#include <sys/time.h>
+
 ////////
 // Include OpenCV wrapper for image capture and display.
 #include "opencv_camera_display.h"
@@ -368,6 +370,8 @@ int main( int argc, char * argv[] )
     // Process the video sequence frame by frame until the end of sequence or aborted.
     for( int frame_index = 0; !gui.AbortRequested(); frame_index++ )
     {
+        struct timeval st, ed, el;
+
         ////////********
         // Copy the input RGB frame from OpenCV to OpenVX.
         // Use vxAccessImagePatch and vxCommitImagePatch APIs (see "VX/vx_api.h").
@@ -407,8 +411,11 @@ int main( int argc, char * argv[] )
         //      if the frame_index == 0 (i.e., the first frame of the video
         //      sequence), otherwise, select the feature tracking graph.
         //   2. Use ERROR_CHECK_STATUS for error checking.
+        gettimeofday(&st, NULL);
         ERROR_CHECK_STATUS( vxProcessGraph( frame_index == 0 ? graphHarris : graphTrack ) );
-
+        gettimeofday(&ed, NULL);
+        timersub(&ed, &st, &el);
+        printf("ProcessGraph:%d.%06d[s]\n", (int)el.tv_sec, (int)el.tv_usec);
 
         ////////********
         // To mark the keypoints in display, you need to access the output

実行環境は下記のとおりです。

• CPU: Pentium J4205/1.50GHz
• Mem: DDR3L-1600 8GB x 2
• GPU: Intel HD Graphics 505/250MHz（J4205内蔵）

最初にソフトウェア版のライブラリを実行します。

$ LD_LIBRARY_PATH=/path/to/openvx1.1/out/LINUX/x86_64/release/ ./a.out

OK: FILE ../../tutorial_videos/PETS09-S1-L1-View001.avi 768x480
LOG: [ status = -1 ] Hello there!

ProcessGraph:0.254740[s]
ProcessGraph:0.183655[s]
ProcessGraph:0.181082[s]
ProcessGraph:0.180022[s]
ProcessGraph:0.182914[s]
ProcessGraph:0.180622[s]
...

最初のフレームはHarrisCornerによる角検出、それ以降のフレームはトラッキングに要した時間です（そういう内容のデモです）。トラッキングに大体180ms程度、掛かっている様子がわかります。

次に内蔵GPUで実行します。

$ DISPLAY=:1 LD_LIBRARY_PATH=/path/to/amdovx-core/build/lib ./a.out

OK: FILE ../../tutorial_videos/PETS09-S1-L1-View001.avi 768x480
LOG: [ status = -1 ] Hello there!

LOG: [ status = 0 ] OK: OpenVX using GPU device#0 (Intel(R) HD Graphics Broxton 0) [OpenCL 2.0 beignet 1.3] [SvmCaps 0 0]

ProcessGraph:0.030192[s]
ProcessGraph:0.016439[s]
ProcessGraph:0.015872[s]
ProcessGraph:0.015629[s]
ProcessGraph:0.015629[s]
ProcessGraph:0.015679[s]
...

トラッキングに16ms程度しか掛かりません。正直言ってGPUとしてはローエンドの下の方ですが、J4205のCPU処理と比較すると圧倒的に速いです。GPU恐るべしですね。