Escola de linguagem assembly do FFmpeg

Introdução

• Bem-vindo às aulas de linguagem assembly do FFmpeg. Este curso fornece a base de como a linguagem assembly é escrita no FFmpeg.

Conhecimentos necessários

• É necessário conhecimento da linguagem C, especialmente sobre ponteiros.
• É necessário conhecimento de matemática em nível de ensino médio (escalares e vetores, adição, multiplicação etc.).

O que é linguagem assembly?

• Linguagem assembly é uma linguagem de programação em que se escreve código que corresponde diretamente às instruções processadas pela CPU.
• A maior parte do código assembly do FFmpeg é SIMD (Single Instruction Multiple Data), também chamado de programação vetorial.
• SIMD é adequado para processar grandes quantidades de dados armazenados sequencialmente na memória, como imagens, vídeo e áudio.

Por que escrever em linguagem assembly?

• Para acelerar a velocidade do processamento multimídia. Ao escrever em código assembly, é possível obter ganhos de desempenho de mais de 10 vezes.
• No FFmpeg, o código assembly é escrito diretamente sem usar intrinsics. Intrinsics geralmente são 10–15% mais lentos do que assembly escrito manualmente.

Tipos de linguagem assembly

• Este curso se concentra em linguagem assembly x86 de 64 bits. Ela também é conhecida como amd64 e funciona também em CPUs Intel.
• Há duas sintaxes de assembly x86, AT&T e Intel, e será usada a sintaxe Intel.

Material de apoio

• A programação em assembly do FFmpeg é focada em processamento de imagens de alto desempenho e tem uma abordagem única.
• Os diagramas do livro "The Art of 64-bit assembly" podem ser úteis.

Registradores

• Registradores são áreas da CPU onde os dados são processados. A CPU não manipula diretamente a memória; ela carrega os dados nos registradores, os processa e depois os escreve de volta na memória.

Registradores de uso geral

• Registradores de uso geral (GPR) podem conter dados ou endereços de memória. No código assembly do FFmpeg, os GPRs atuam principalmente como apoio.

Registradores vetoriais

• Registradores vetoriais (SIMD) contêm vários elementos de dados. Existem vários tipos de registradores vetoriais.
• A maior parte dos cálculos de compressão e descompressão de vídeo é baseada em inteiros.

Inclusão de x86inc.asm

• x86inc.asm é uma camada leve de abstração usada no FFmpeg, x264 e dav1d para facilitar o trabalho de programadores assembly.

Código assembly escalar simples

• O funcionamento do código assembly escalar é explicado por meio de exemplos.

Entendendo funções vetoriais básicas

• O significado de cada linha é explicado por meio do primeiro exemplo de função SIMD.
• Operações vetoriais são realizadas usando instruções como movu e paddb.
• A função modifica os dados dos argumentos e não retorna valor.

[GN⁺]

Comentários no Hacker News

• Há outro material sobre o mesmo tema nos casos do FFmpeg e do dav1d

  • O FFmpeg é usado com frequência, então pode ser visto como um caso de uso claro
  • O dav1d é usado nos principais navegadores e no sistema operacional Android, e um grande fator do seu sucesso é o SIMD escrito à mão
  • Parte do código do dav1d é executada trilhões de vezes por dia, então precisa rodar o mais rápido possível
  • A diferença de desempenho entre SIMD escrito à mão e SIMD gerado pelo compilador pode chegar a 50%
  • Recursos como a escola de linguagem assembly do FFmpeg são importantes para manter essas técnicas

• Acho mais valioso usar intrinsics do que escrever assembly, mas a leitura foi muito útil

  • Usei o Compiler Explorer para entender as otimizações que o compilador faz para otimização de desempenho

• Acho este guia excelente

  • Gostaria de ter tido este guia quando eu me interessava por baixo nível

• Fico curioso se existe alguma "diversão" em aprender ou implementar assembly

  • Queria saber se há uma diversão como em LISP ou RISC-V, ou se é algo como COBOL, que se aprende para trabalhar com sistemas específicos
  • Não tenho motivo para usar assembly no trabalho do dia a dia, mas me pergunto se vale a pena investir tempo nisso por diversão

• O sufixo "q" indica o tamanho do ponteiro, que em sistemas de 64 bits é 8

  • A frase parece confusa
  • "i.e" deveria ser "i.e.," e "(" deveria ser um parêntese de abertura
  • "sizeof" não retorna um ponteiro

• Elogio à referência K&R

  • Foi o primeiro livro que comprei para aprender C e programação
  • No começo aprendi C++, mas era abstrato demais e difícil de entender

• A desvantagem de usar assembly é que o código fica dependente da arquitetura

  • É preciso escrever código diferente para x86, arm e x86_64
  • Não há uma boa forma de escrever código portável para SIMD
  • O Rust está estabilizando uma API SIMD portável, e o Zig oferece suporte a SIMD, mas o FFmpeg ainda pode continuar insatisfeito com a velocidade

• A oposição a assembly inline é confusa

  • Parece que assembly inline seria mais eficiente do que chamar uma função em assembly

• Este material é perfeito

  • Eu conhecia assembly x86 da época do 386, mas os processadores mais avançados eram complexos demais
  • Quero aprender mais sobre SIMD nas CPUs recentes

• Fico curioso se ainda é verdade que assembly é 10 vezes mais rápido que C

  • Será que os compiladores estagnaram a ponto de não conseguirem se aproximar de assembly escrito à mão?