Escuela de lenguaje ensamblador de FFmpeg

Introducción

• Bienvenido a la clase de lenguaje ensamblador de FFmpeg. Esta clase ofrece una base sobre cómo se escribe lenguaje ensamblador en FFmpeg.

Conocimientos necesarios

• Se requiere conocimiento del lenguaje C, especialmente sobre punteros.
• Se requiere conocimiento de matemáticas de nivel preparatoria/secundaria superior (escalares y vectores, suma, multiplicación, etc.).

¿Qué es el lenguaje ensamblador?

• El lenguaje ensamblador es un lenguaje de programación con el que se escribe código que corresponde directamente a las instrucciones que procesa la CPU.
• La mayor parte del código en ensamblador de FFmpeg es SIMD (Single Instruction Multiple Data), lo que también se conoce como programación vectorial.
• SIMD es adecuado para procesar grandes cantidades de datos almacenados secuencialmente en memoria, como imágenes, video y audio.

¿Por qué escribirlo en lenguaje ensamblador?

• Para acelerar la velocidad del procesamiento multimedia. Al escribir código en ensamblador, se puede obtener una mejora de velocidad de más de 10 veces.
• En FFmpeg se escribe ensamblador directamente sin usar intrinsics. Los intrinsics suelen ser entre 10 y 15% más lentos que el ensamblador hecho a mano.

Tipos de lenguaje ensamblador

• Esta clase se centra en el lenguaje ensamblador x86 de 64 bits. También se conoce como amd64 y funciona igualmente en CPUs Intel.
• En la sintaxis de ensamblador x86 hay dos variantes, AT&T e Intel, y se usará la sintaxis Intel.

Material de apoyo

• La programación en ensamblador de FFmpeg se enfoca en el procesamiento de imágenes de alto rendimiento y tiene un enfoque particular.
• Los diagramas del libro "The Art of 64-bit assembly" pueden ser de ayuda.

Registros

• Los registros son áreas dentro de la CPU donde se procesan los datos. La CPU no manipula la memoria directamente, sino que carga los datos en registros, los procesa y luego los vuelve a escribir en memoria.

Registros de propósito general

• Los registros de propósito general (GPR) pueden contener datos o direcciones de memoria. En el código ensamblador de FFmpeg, los GPR funcionan principalmente como apoyo.

Registros vectoriales

• Los registros vectoriales (SIMD) contienen múltiples elementos de datos. Existen varios tipos de registros vectoriales.
• La mayoría de los cálculos de compresión y descompresión de video se basan en enteros.

Inclusión de x86inc.asm

• x86inc.asm es una capa de abstracción ligera utilizada en FFmpeg, x264 y dav1d para facilitar el trabajo de los programadores de ensamblador.

Código ensamblador escalar sencillo

• Se explica cómo funciona el código ensamblador escalar a través de un ejemplo.

Entender una función vectorial básica

• A través del primer ejemplo de una función SIMD, se explica el significado de cada línea.
• Se usan instrucciones como movu y paddb para realizar operaciones vectoriales.
• La función modifica los datos de sus argumentos y no devuelve ningún valor.

[GN⁺]

Opiniones de Hacker News

• Hay otro material sobre el mismo tema en los casos de FFmpeg y dav1d

  • FFmpeg se usa con frecuencia, así que puede verse como un caso de uso claro
  • dav1d se usa en los principales navegadores y en el sistema operativo Android, y un factor importante de su éxito es el SIMD escrito a mano
  • Parte del código de dav1d se ejecuta billones de veces al día, así que debe correr lo más rápido posible
  • La diferencia de rendimiento entre SIMD escrito a mano y SIMD generado por el compilador puede llegar hasta el 50%
  • Recursos como la escuela de lenguaje ensamblador de FFmpeg son importantes para mantener estas técnicas

• Creo que usar intrínsecos tiene más valor que escribir ensamblador, pero fue muy útil leer esto

  • Usé Compiler Explorer para entender las optimizaciones que hace el compilador para mejorar el rendimiento

• Creo que esta guía es excelente

  • Ojalá hubiera tenido esta guía cuando me interesaba el bajo nivel

• Me pregunto si hay algún "placer" en aprender o implementar ensamblador

  • Me pregunto si tiene algo de diversión como LISP o RISC-V, o si es más como COBOL, que se aprende para trabajar con sistemas específicos
  • No tengo motivos para usar ensamblador en mi trabajo diario, pero me pregunto si vale la pena invertir tiempo por diversión

• El sufijo "q" indica el tamaño del puntero, y en sistemas de 64 bits es 8

  • La frase se siente confusa
  • "i.e" debería ser "i.e.,", y "(" debería ser un paréntesis de apertura
  • "sizeof" no devuelve un puntero

• Elogio a la referencia de K&R

  • Fue el primer libro que compré para aprender C y programación
  • Al principio aprendí C++, pero era demasiado abstracto y difícil de entender

• La desventaja de usar ensamblador es que el código depende de la arquitectura

  • Hay que escribir código distinto para x86, arm y x86_64
  • No hay una buena manera de escribir código portable para SIMD
  • Rust está estabilizando una API SIMD portable, y Zig ofrece soporte SIMD, pero FFmpeg probablemente seguiría inconforme con la velocidad

• Me confunde la oposición al ensamblador en línea

  • Parece que el ensamblador en línea sería más eficiente que llamar a una función en ensamblador

• Este material es perfecto

  • Conocía el ensamblador x86 de la época del 386, pero los procesadores más avanzados eran demasiado complejos
  • Quiero aprender más sobre SIMD en CPUs recientes

• Me pregunto si todavía es cierto que el ensamblador es 10 veces más rápido que C

  • Me pregunto si los compiladores se han estancado tanto como para no poder acercarse al ensamblador escrito a mano