xref: /aosp_15_r20/external/XNNPACK/src/qs8-igemm/4x8-rndnu-aarch32-neon-mlal-lane-ld64.cc (revision 4bdc94577ba0e567308109d787f7fec7b531ce36)

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#include <cassert>

#include <xnnpack.h>
#include <xnnpack/aarch32-assembler.h>
#include <xnnpack/allocator.h>
#include <xnnpack/igemm.h>

namespace xnnpack {
namespace aarch32 {
namespace {
class Generator : public Assembler {
  using Assembler::Assembler;
 public:
  void generate(bool prefetch, size_t max_mr, size_t nc_mod_nr, size_t kc, size_t ks, const void* params);
};


// void xnn_qs8_igemm_minmax_rndnu_ukernel_4x8__aarch32_neon_mlal_lane_prfm_ld64
//     size_t mr,                                      r0
//     size_t nc,                                      r1
//     size_t kc,                                      r2 -> r5 -> sp + 36
//     size_t ks,                                      r3 -> sp + 40 -> r14
//     const int8_t**restrict a,           sp + 80  -> r2
//     const void*restrict w,              sp + 84  -> r9
//     int8_t*restrict c,                  sp + 88  -> r11
//     size_t cm_stride,                   sp + 92  -> (r6)
//     size_t cn_stride,                   sp + 96  -> (r7)
//     size_t a_offset,                    sp + 100 -> (r5)
//     const int8_t* zero,                 sp + 104 -> (r7)
//     xnn_qs8_conv_minmax_params*params); sp + 108 -> (r5)

// d8-d15, r4-r11,r14(lr) need to be preserved if used. r13(sp),r15(pc) are reserved.

// Register usage

// A0   r3  d0-d1 q0
// A1  r12  d2-d3 q1
// A2  r10  d4-d5 q2
// A3   r0  d6-d7 q3

// B    r9  d8-d9 q4

// C0  r11 d16-d17  q8  d18-d19  q9
// C1   r4 d20-d21 q10  d22-d23 q11
// C2   r8 d24-d25 q12  d26-d27 q13
// C3   r6 d28-d29 q14  d30-d31 q15

// Unused q6 q7

// params structure is 16 bytes
//  struct {
//    int32_t right_pre_shift;    d10[0]
//    int32_t multiplier;         d10[1]
//    int32_t right_post_shift;   d11[0]
//    int16_t output_zero_point;  d11[2]
//    int8_t output_min;          d11[6]
//    int8_t output_max;          d11[7]
//  } rndnu_neon;

// Converted from: src/qs8-igemm/gen/4x8-minmax-rndnu-aarch32-neon-mlal-lane-prfm-ld64.S
void Generator::generate(bool prefetch, size_t max_mr, size_t nc_mod_nr, size_t kc, size_t ks, const void* params)
{
  assert(nc_mod_nr < 8);
  assert(kc != 0);
  assert(ks != 0);

  Label l0, l1, l2, l3, l4, l5, l6, l7, l8;

  // Push 80 bytes
  // r2 will be reloaded in outer loop.  r3 is ks
  push({r2, r3, r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, lr}); // +44
  sub(sp, sp, 4); // 4
  vpush({d8-d11}); // +32 = 80

  ldr(r11, mem[sp, 88]); // c
  ldr(r6, mem[sp, 92]); // cm_stride
  ldr(r2, mem[sp, 80]); // a
  ldr(r9, mem[sp, 84]); // w
  ldr(r5, mem[sp, 108]); // params
  mov(r14, r3); // p = ks

  // Clamp C pointers
  cmp(r0, 2); // if mr >= 2
  add(r4, r11, r6); //   c1 = c0 + cm_stride
  movlo(r4, r11); // c1
  // if mr > 2
  add(r8, r4, r6); //   c2 = c1 + cm_stride
  movls(r8, r4); // c2
  cmp(r0, 4); // if mr >=4
  add(r6, r8, r6); //   c3 = c2 + cm_stride
  movlo(r6, r8); // c3

  // Load params values
  vldm(mem[r5], {d10-d11}); // RNDNU params

  if (prefetch) {
    pld(mem[r9, 64]); // Prefetch B
    pld(mem[r9, 128]);
    pld(mem[r9, 192]);
    pld(mem[r9, 256]);
    pld(mem[r9, 320]);
    pld(mem[r9, 384]);
  }

  align(8);
  bind(l0);
  // Load initial bias from w into accumulators
  vldm(mem[r9]++, {d16-d19}); // Bias
  vmov(q10, q8);
  vmov(q11, q9);
  vmov(q12, q8);
  vmov(q13, q9);
  vmov(q14, q8);
  vmov(q15, q9);

  align(8);
  bind(l1);
  // Load next 4 A pointers
  ldr(r3, mem[r2, 0]);
  ldr(r12, mem[r2, 4]);
  ldr(r10, mem[r2, 8]);
  ldr(r0, mem[r2, 12]);
  add(r2, r2, 16);

  if (prefetch) {
    pld(mem[r3, 64]);
    pld(mem[r12, 64]);
    pld(mem[r10, 64]);
    pld(mem[r0, 64]);
  }

  // Add a_offset
  ldr(r5, mem[sp, 100]); // a_offset
  ldr(r7, mem[sp, 104]); // zero
  cmp(r3, r7); // if a0 == zero
  add(r3, r3, r5); // a0 += a_offset
  moveq(r3, r7); //   a0 = zero, else += a0 + a_offset
  cmp(r12, r7); // if a1 == zero
  add(r12, r12, r5); // a1 += a_offset
  moveq(r12, r7); //   a1 = zero, else += a1 + a_offset
  cmp(r10, r7); // if a2 == zero
  add(r10, r10, r5); // a2 += a_offset
  moveq(r10, r7); //   a2 = zero, else += a2 + a_offset
  cmp(r0, r7); // if a3 == zero
  add(r0, r0, r5); // a3 += a_offset
  ldr(r5, mem[sp, 36]); // kc
  moveq(r0, r7); //   a3 = zero, else += a3 + a_offset

  subs(r5, r5, 8); // kc - 8
  blo(l4); // less than 8 channels?

  // Main loop - 8 bytes
  // 64 bytes for weights.
  align(8);
  bind(l2);
  vld1_8({d0}, mem[r3]++); // A0
  vld1_8({d8}, mem[r9]++); // B
  vld1_8({d2}, mem[r12]++); // A1
  vld1_8({d4}, mem[r10]++); // A2
  vld1_8({d6}, mem[r0]++); // A3
  subs(r5, r5, 8);
  if (prefetch) {
    pld(mem[r3, 128]);
  }
  vmovl_s8(q0, d0);
  if (prefetch) {
    pld(mem[r12, 128]);
  }
  vmovl_s8(q4, d8);
  if (prefetch) {
    pld(mem[r10, 128]);
  }
  vmovl_s8(q1, d2);
  if (prefetch) {
    pld(mem[r0, 128]);
  }
  vmovl_s8(q2, d4);
  if (prefetch) {
    pld(mem[r9, 448]);
  }
  vmovl_s8(q3, d6);
  vmlal_s16(q8, d8, d0[0]);
  vmlal_s16(q9, d9, d0[0]);
  vmlal_s16(q10, d8, d2[0]);
  vmlal_s16(q11, d9, d2[0]);
  vmlal_s16(q12, d8, d4[0]);
  vmlal_s16(q13, d9, d4[0]);
  vmlal_s16(q14, d8, d6[0]);
  vmlal_s16(q15, d9, d6[0]);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d0[1]);
  vmlal_s16(q9, d9, d0[1]);
  vmlal_s16(q10, d8, d2[1]);
  vmlal_s16(q11, d9, d2[1]);
  vmlal_s16(q12, d8, d4[1]);
  vmlal_s16(q13, d9, d4[1]);
  vmlal_s16(q14, d8, d6[1]);
  vmlal_s16(q15, d9, d6[1]);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d0[2]);
  vmlal_s16(q9, d9, d0[2]);
  vmlal_s16(q10, d8, d2[2]);
  vmlal_s16(q11, d9, d2[2]);
  vmlal_s16(q12, d8, d4[2]);
  vmlal_s16(q13, d9, d4[2]);
  vmlal_s16(q14, d8, d6[2]);
  vmlal_s16(q15, d9, d6[2]);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d0[3]);
  vmlal_s16(q9, d9, d0[3]);
  vmlal_s16(q10, d8, d2[3]);
  vmlal_s16(q11, d9, d2[3]);
  vmlal_s16(q12, d8, d4[3]);
  vmlal_s16(q13, d9, d4[3]);
  vmlal_s16(q14, d8, d6[3]);
  vmlal_s16(q15, d9, d6[3]);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d1[0]);
  vmlal_s16(q9, d9, d1[0]);
  vmlal_s16(q10, d8, d3[0]);
  vmlal_s16(q11, d9, d3[0]);
  vmlal_s16(q12, d8, d5[0]);
  vmlal_s16(q13, d9, d5[0]);
  vmlal_s16(q14, d8, d7[0]);
  vmlal_s16(q15, d9, d7[0]);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d1[1]);
  vmlal_s16(q9, d9, d1[1]);
  vmlal_s16(q10, d8, d3[1]);
  vmlal_s16(q11, d9, d3[1]);
  vmlal_s16(q12, d8, d5[1]);
  vmlal_s16(q13, d9, d5[1]);
  vmlal_s16(q14, d8, d7[1]);
  vmlal_s16(q15, d9, d7[1]);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d1[2]);
  vmlal_s16(q9, d9, d1[2]);
  vmlal_s16(q10, d8, d3[2]);
  vmlal_s16(q11, d9, d3[2]);
  vmlal_s16(q12, d8, d5[2]);
  vmlal_s16(q13, d9, d5[2]);
  vmlal_s16(q14, d8, d7[2]);
  vmlal_s16(q15, d9, d7[2]);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d1[3]);
  vmlal_s16(q9, d9, d1[3]);
  vmlal_s16(q10, d8, d3[3]);
  vmlal_s16(q11, d9, d3[3]);
  vmlal_s16(q12, d8, d5[3]);
  vmlal_s16(q13, d9, d5[3]);
  vmlal_s16(q14, d8, d7[3]);
  vmlal_s16(q15, d9, d7[3]);
  bhs(l2);

  // Is there a remainder?- 1-7 bytes of A
  adds(r5, r5, 8);
  bne(l4);

  bind(l3);
  // ks loop
  subs(r14, r14, 16); // ks -= MR * sizeof(void*)
  bhi(l1);

  ldr(r7, mem[sp, 96]); // cn_stride
  ldr(r14, mem[sp, 40]); // p = ks

  // RNDNU quantization
  vdup_32(q0, d10[0]); // right_pre_shift

  vqshl_s32(q8, q8, q0);
  vqshl_s32(q9, q9, q0);
  vqshl_s32(q10, q10, q0);
  vqshl_s32(q11, q11, q0);
  vqshl_s32(q12, q12, q0);
  vqshl_s32(q13, q13, q0);
  vqshl_s32(q14, q14, q0);
  vqshl_s32(q15, q15, q0);

  vdup_32(q2, d11[0]); // right_post_shift

  vqdmulh_s32(q8, q8, d10[1]); // multiplier
  vqdmulh_s32(q9, q9, d10[1]);
  vqdmulh_s32(q10, q10, d10[1]);
  vqdmulh_s32(q11, q11, d10[1]);
  vqdmulh_s32(q12, q12, d10[1]);
  vqdmulh_s32(q13, q13, d10[1]);
  vqdmulh_s32(q14, q14, d10[1]);
  vqdmulh_s32(q15, q15, d10[1]);

  vrshl_s32(q8, q8, q2);
  vrshl_s32(q9, q9, q2);
  vrshl_s32(q10, q10, q2);
  vrshl_s32(q11, q11, q2);
  vrshl_s32(q12, q12, q2);
  vrshl_s32(q13, q13, q2);
  vrshl_s32(q14, q14, q2);
  vrshl_s32(q15, q15, q2);

  vdup_16(q0, d11[2]); // output_zero_point

  vqmovn_s32(d16, q8);
  vqmovn_s32(d17, q9);
  vqmovn_s32(d18, q10);
  vqmovn_s32(d19, q11);
  vqmovn_s32(d20, q12);
  vqmovn_s32(d21, q13);
  vqmovn_s32(d22, q14);
  vqmovn_s32(d23, q15);

  vqadd_s16(q8, q8, q0);
  vqadd_s16(q9, q9, q0);
  vqadd_s16(q10, q10, q0);
  vqadd_s16(q11, q11, q0);

  vdup_8(q12, d11[6]); // output_min

  vqmovn_s16(d0, q8);
  vqmovn_s16(d1, q9);
  vqmovn_s16(d2, q10);
  vqmovn_s16(d3, q11);

  vdup_8(q13, d11[7]); // output_max

  vmax_s8(q0, q0, q12);
  vmax_s8(q1, q1, q12);

  subs(r1, r1, 8); // nc -= 8

  vmin_s8(q0, q0, q13);
  vmin_s8(q1, q1, q13);

  // Store full 4 x 8
  blo(l5);
  vst1_8({d3}, mem[r6], r7);
  vst1_8({d2}, mem[r8], r7);
  vst1_8({d1}, mem[r4], r7);
  vst1_8({d0}, mem[r11], r7);
  sub(r2, r2, r14); // a -= ks
  bhi(l0);

  vpop({d8-d11});
  add(sp, sp, 12); // skip pad, r2, r3
  pop({r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, pc});

  // Remainder- 1 to 7 bytes of A
  align(8);
  bind(l4);
  and_(r5, r5, 7); // kc remainder 1 to 7

  vld1_8({d0}, mem[r3]);
  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vld1_8({d2}, mem[r12]);
  vld1_8({d4}, mem[r10]);
  vld1_8({d6}, mem[r0]);

  vmovl_s8(q0, d0);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmovl_s8(q1, d2);
  vmovl_s8(q2, d4);
  vmovl_s8(q3, d6);
  vmlal_s16(q8, d8, d0[0]);
  vmlal_s16(q9, d9, d0[0]);
  vmlal_s16(q10, d8, d2[0]);
  vmlal_s16(q11, d9, d2[0]);
  vmlal_s16(q12, d8, d4[0]);
  vmlal_s16(q13, d9, d4[0]);
  vmlal_s16(q14, d8, d6[0]);
  vmlal_s16(q15, d9, d6[0]);
  cmp(r5, 2);
  blo(l3);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d0[1]);
  vmlal_s16(q9, d9, d0[1]);
  vmlal_s16(q10, d8, d2[1]);
  vmlal_s16(q11, d9, d2[1]);
  vmlal_s16(q12, d8, d4[1]);
  vmlal_s16(q13, d9, d4[1]);
  vmlal_s16(q14, d8, d6[1]);
  vmlal_s16(q15, d9, d6[1]);
  beq(l3);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d0[2]);
  vmlal_s16(q9, d9, d0[2]);
  vmlal_s16(q10, d8, d2[2]);
  vmlal_s16(q11, d9, d2[2]);
  vmlal_s16(q12, d8, d4[2]);
  vmlal_s16(q13, d9, d4[2]);
  vmlal_s16(q14, d8, d6[2]);
  vmlal_s16(q15, d9, d6[2]);
  cmp(r5, 4);
  blo(l3);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d0[3]);
  vmlal_s16(q9, d9, d0[3]);
  vmlal_s16(q10, d8, d2[3]);
  vmlal_s16(q11, d9, d2[3]);
  vmlal_s16(q12, d8, d4[3]);
  vmlal_s16(q13, d9, d4[3]);
  vmlal_s16(q14, d8, d6[3]);
  vmlal_s16(q15, d9, d6[3]);
  beq(l3);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d1[0]);
  vmlal_s16(q9, d9, d1[0]);
  vmlal_s16(q10, d8, d3[0]);
  vmlal_s16(q11, d9, d3[0]);
  vmlal_s16(q12, d8, d5[0]);
  vmlal_s16(q13, d9, d5[0]);
  vmlal_s16(q14, d8, d7[0]);
  vmlal_s16(q15, d9, d7[0]);
  cmp(r5, 6);
  blo(l3);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d1[1]);
  vmlal_s16(q9, d9, d1[1]);
  vmlal_s16(q10, d8, d3[1]);
  vmlal_s16(q11, d9, d3[1]);
  vmlal_s16(q12, d8, d5[1]);
  vmlal_s16(q13, d9, d5[1]);
  vmlal_s16(q14, d8, d7[1]);
  vmlal_s16(q15, d9, d7[1]);
  beq(l3);

  vld1_8({d8}, mem[r9]++);
  vmovl_s8(q4, d8);
  vmlal_s16(q8, d8, d1[2]);
  vmlal_s16(q9, d9, d1[2]);
  vmlal_s16(q10, d8, d3[2]);
  vmlal_s16(q11, d9, d3[2]);
  vmlal_s16(q12, d8, d5[2]);
  vmlal_s16(q13, d9, d5[2]);
  vmlal_s16(q14, d8, d7[2]);
  vmlal_s16(q15, d9, d7[2]);
  b(l3);

  // Store odd width
  align(8);
  bind(l5);
  tst(r1, 4);
  beq(l6);
  vst1_32({d3[0]}, mem[r6]++);
  vst1_32({d2[0]}, mem[r8]++);
  vst1_32({d1[0]}, mem[r4]++);
  vst1_32({d0[0]}, mem[r11]++);
  vext_8(q1, q1, q1, 4);
  vext_8(q0, q0, q0, 4);
  bind(l6);
  tst(r1, 2);
  beq(l7);
  vst1_16({d3[0]}, mem[r6]++);
  vst1_16({d2[0]}, mem[r8]++);
  vst1_16({d1[0]}, mem[r4]++);
  vst1_16({d0[0]}, mem[r11]++);
  vext_8(q1, q1, q1, 2);
  vext_8(q0, q0, q0, 2);

  bind(l7);
  tst(r1, 1);
  beq(l8);
  vst1_8({d3[0]}, mem[r6]);
  vst1_8({d2[0]}, mem[r8]);
  vst1_8({d1[0]}, mem[r4]);
  vst1_8({d0[0]}, mem[r11]);

  bind(l8);
  vpop({d8-d11});
  add(sp, sp, 12); // skip pad, r2, r3
  pop({r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, pc});
}
}  // namespace
}  // aarch32
}  // xnnpack

xnn_status_t xnn_generate_qs8_igemm_rndnu_ukernel_4x8__aarch32_neon_mlal_lane_ld64(xnn_code_buffer* code, size_t max_mr, size_t nc_mod_nr, size_t kc, size_t ks, const void* params) {
  using namespace xnnpack::aarch32;
  Generator g(code);
  g.generate(false, max_mr, nc_mod_nr, kc, ks, nullptr);
  g.finalize();
  if (g.error() != xnnpack::Error::kNoError) {
    return xnn_status_invalid_state;
  }
  return xnn_status_success;
}

xnn_status_t xnn_generate_qs8_igemm_rndnu_ukernel_4x8__aarch32_neon_mlal_lane_prfm_ld64(xnn_code_buffer* code, size_t max_mr, size_t nc_mod_nr, size_t kc, size_t ks, const void* params) {
  using namespace xnnpack::aarch32;
  Generator g(code);
  g.generate(true, max_mr, nc_mod_nr, kc, ks, nullptr);
  g.finalize();
  if (g.error() != xnnpack::Error::kNoError) {
    return xnn_status_invalid_state;
  }
  return xnn_status_success;
}