src/gromacs/simd/tests/simd.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2014, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 #ifndef GMX_SIMD_TESTS_SIMD_H
  36 #define GMX_SIMD_TESTS_SIMD_H
  37
  38 /*! \internal \file
  39  * \brief
  40  * Declares fixture for testing of normal SIMD (not SIMD4) functionality.
  41  *
  42  * The SIMD tests are both simple and complicated. The actual testing logic
  43  * is \a very straightforward since we just need to test single values against
  44  * the math library, and for some math functions we need to do it in a loop.
  45  * This could have been achieved in minutes with the default Google Test tools,
  46  * if it wasn't for the problem that we cannot access or compare SIMD contents
  47  * directly without using lots of other SIMD functionality. For this reason
  48  * we have separate the basic testing of load/store operations into a separate
  49  * bootstrapping test. Once this works, we use a set of utility routines to
  50  * convert SIMD contents to/from std:vector<> and perform the rest of the tests,
  51  * which then can farmed out to the base class SimdBaseTest that is common
  52  * to SIMD and SIMD4.
  53  *
  54  * Another complication is that the width of the SIMD implementation will
  55  * depend on the hardware and precision. For some simple operations it is
  56  * sufficient to set all SIMD elements to the same value, and check that the
  57  * result is present in all elements. However, for a few more complex
  58  * instructions that might rely on shuffling under-the-hood it is important
  59  * that we can test operations with different elements. We achieve this by
  60  * having test code that can initialize a SIMD variable from an std::vector
  61  * of arbitrary length; the vector is simply repeated to fill all elements in
  62  * the SIMD variable. We also have similar routines to compare a SIMD result
  63  * with values in a vector, which returns true iff all elements match.
  64  *
  65  * This way we can write simple tests that use different values for all SIMD
  66  * elements. Personally I like using vectors of length 3, since this means
  67  * there are no simple repeated patterns in low/high halves of SIMD variables
  68  * that are 2,4,8,or 16 elements wide, and we still don't have to care about
  69  * the exact SIMD width of the underlying implementation.
  70  *
  71  * Note that this utility uses a few SIMD load/store instructions internally -
  72  * those have been tested separately in the bootstrap_loadstore.cpp file.
  73  *
  74  * \author Erik Lindahl <erik.lindahl@scilifelab.se>
  75  * \ingroup module_simd
  76  */
  77 #include <vector>
  78
  79 #include <gtest/gtest.h>
  80
  81 #include "gromacs/simd/simd.h"
  82
  83 #include "base.h"
  84
  85 namespace gmx
  86 {
  87 namespace test
  88 {
  89
  90 /*! \cond internal */
  91 /*! \addtogroup module_simd */
  92 /*! \{ */
  93
  94 /* Unfortunately we cannot keep static SIMD constants in the test fixture class.
  95  * The problem is that SIMD memory need to be aligned, and in particular
  96  * this applies to automatic storage of variables in classes. For SSE registers
  97  * this means 16-byte alignment (which seems to work), but AVX requires 32-bit
  98  * alignment. At least both gcc-4.7.3 and Apple clang-5.0 (OS X 10.9) fail to
  99  * align these variables when they are stored as data in a class.
 100  *
 101  * In theory we could set some of these on-the-fly e.g. with setSimdFrom3R()
 102  * instead (although that would mean repeating code between tests), but many of
 103  * the constants depend on the current precision not to mention they
 104  * occasionally have many digits that need to be exactly right, and keeping
 105  * them in a single place makes sure they are consistent.
 106  */
 107 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
 108 extern const gmx_simd_real_t rSimd_1_2_3;     //!< Generic (different) fp values.
 109 extern const gmx_simd_real_t rSimd_4_5_6;     //!< Generic (different) fp values.
 110 extern const gmx_simd_real_t rSimd_7_8_9;     //!< Generic (different) fp values.
 111 extern const gmx_simd_real_t rSimd_5_7_9;     //!< rSimd_1_2_3 + rSimd_4_5_6.
 112 extern const gmx_simd_real_t rSimd_m1_m2_m3;  //!< Generic negative floating-point values.
 113 extern const gmx_simd_real_t rSimd_3_1_4;     //!< Used to test min/max.
 114 extern const gmx_simd_real_t rSimd_m3_m1_m4;  //!< negative rSimd_3_1_4.
 115 extern const gmx_simd_real_t rSimd_2p25;      //!< Value that rounds down.
 116 extern const gmx_simd_real_t rSimd_3p75;      //!< Value that rounds up.
 117 extern const gmx_simd_real_t rSimd_m2p25;     //!< Negative value that rounds up.
 118 extern const gmx_simd_real_t rSimd_m3p75;     //!< Negative value that rounds down.
 119 //! Three large floating-point values whose exponents are >32.
 120 extern const gmx_simd_real_t rSimd_Exp;
 121 #    if (defined GMX_SIMD_HAVE_DOUBLE) && (defined GMX_DOUBLE)
 122 // Make sure we also test exponents outside single precision when we use double
 123 extern const gmx_simd_real_t rSimd_ExpDouble;
 124 #    endif
 125 // Magic FP numbers corresponding to specific bit patterns
 126 extern const gmx_simd_real_t rSimd_Bits1;       //!< Pattern F0 repeated to fill single/double.
 127 extern const gmx_simd_real_t rSimd_Bits2;       //!< Pattern CC repeated to fill single/double.
 128 extern const gmx_simd_real_t rSimd_Bits3;       //!< Pattern C0 repeated to fill single/double.
 129 extern const gmx_simd_real_t rSimd_Bits4;       //!< Pattern 0C repeated to fill single/double.
 130 extern const gmx_simd_real_t rSimd_Bits5;       //!< Pattern FC repeated to fill single/double.
 131 extern const gmx_simd_real_t rSimd_Bits6;       //!< Pattern 3C repeated to fill single/double.
 132 #endif                                          // GMX_SIMD_HAVE_REAL
 133 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_INT32
 134 extern const gmx_simd_int32_t iSimd_1_2_3;      //!< Three generic ints.
 135 extern const gmx_simd_int32_t iSimd_4_5_6;      //!< Three generic ints.
 136 extern const gmx_simd_int32_t iSimd_7_8_9;      //!< Three generic ints.
 137 extern const gmx_simd_int32_t iSimd_5_7_9;      //!< iSimd_1_2_3 + iSimd_4_5_6.
 138 extern const gmx_simd_int32_t iSimd_1M_2M_3M;   //!< Term1 for 32bit add/sub.
 139 extern const gmx_simd_int32_t iSimd_4M_5M_6M;   //!< Term2 for 32bit add/sub.
 140 extern const gmx_simd_int32_t iSimd_5M_7M_9M;   //!< iSimd_1M_2M_3M + iSimd_4M_5M_6M.
 141 extern const gmx_simd_int32_t iSimd_0xF0F0F0F0; //!< Bitpattern to test integer logical operations.
 142 extern const gmx_simd_int32_t iSimd_0xCCCCCCCC; //!< Bitpattern to test integer logical operations.
 143 #endif                                          // GMX_SIMD_HAVE_INT32
 144
 145
 146 /*! \internal
 147  * \brief
 148  * Test fixture for SIMD tests.
 149  *
 150  * This is a very simple test fixture that basically just takes the common
 151  * SIMD/SIMD4 functionality from SimdBaseTest and creates wrapper routines
 152  * specific for normal SIMD functionality.
 153  */
 154 class SimdTest : public SimdBaseTest
 155 {
 156     public:
 157 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
 158         /*! \brief Compare two real SIMD variables for approximate equality.
 159          *
 160          * This is an internal implementation routine. YOu should always use
 161          * GMX_EXPECT_SIMD_REAL_NEAR() instead.
 162          *
 163          * This routine is designed according to the Google test specs, so the char
 164          * strings will describe the arguments to the macro.
 165          *
 166          * The comparison is applied to each element, and it returns true if each element
 167          * in the SIMD test variable is within the class tolerances of the corresponding
 168          * reference element.
 169          */
 170             ::testing::AssertionResult
 171         compareSimdRealUlp(const char * refExpr, const char * tstExpr,
 172                            const gmx_simd_real_t ref, const gmx_simd_real_t tst);
 173
 174         /*! \brief Compare two real SIMD variables for exact equality.
 175          *
 176          * This is an internal implementation routine. YOu should always use
 177          * GMX_EXPECT_SIMD_REAL_NEAR() instead.
 178          *
 179          * This routine is designed according to the Google test specs, so the char
 180          * strings will describe the arguments to the macro.
 181          *
 182          * The comparison is applied to each element, and it returns true if each element
 183          * in the SIMD test variable is within the class tolerances of the corresponding
 184          * reference element.
 185          */
 186         ::testing::AssertionResult
 187         compareSimdRealEq(const char * refExpr, const char * tstExpr,
 188                           const gmx_simd_real_t ref, const gmx_simd_real_t tst);
 189
 190 #endif
 191
 192 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_INT32
 193         /*! \brief Compare two 32-bit integer SIMD variables.
 194          *
 195          * This is an internal implementation routine. YOu should always use
 196          * GMX_EXPECT_SIMD_INT_EQ() instead.
 197          *
 198          * This routine is designed according to the Google test specs, so the char
 199          * strings will describe the arguments to the macro, while the SIMD and
 200          * tolerance arguments are used to decide if the values are approximately equal.
 201          *
 202          * The comparison is applied to each element, and it returns true if each element
 203          * in the SIMD variable tst is identical to the corresponding reference element.
 204          */
 205             ::testing::AssertionResult
 206         compareSimdInt32(const char * refExpr, const char *  tstExpr,
 207                          const gmx_simd_int32_t ref, const gmx_simd_int32_t tst);
 208 #endif
 209 };
 210
 211 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
 212 /*! \brief Convert SIMD real to std::vector<real>.
 213  *
 214  * The returned vector will have the same length as the SIMD width.
 215  */
 216 std::vector<real> simdReal2Vector(const gmx_simd_real_t simd);
 217
 218 /*! \brief Return floating-point SIMD value from std::vector<real>.
 219  *
 220  * If the vector is longer than SIMD width, only the first elements will be used.
 221  * If it is shorter, the contents will be repeated to fill the SIMD register.
 222  */
 223 gmx_simd_real_t   vector2SimdReal(const std::vector<real> &v);
 224
 225 /*! \brief Set SIMD register contents from three real values.
 226  *
 227  * Our reason for using three values is that 3 is not a factor in any known
 228  * SIMD width, so this way there will not be any simple repeated patterns e.g.
 229  * between the low/high 64/128/256 bits in the SIMD register, which could hide bugs.
 230  */
 231 gmx_simd_real_t   setSimdRealFrom3R(real r0, real r1, real r2);
 232
 233 /*! \brief Set SIMD register contents from single real value.
 234  *
 235  * All elements is set from the given value. This is effectively the same
 236  * operation as gmx_simd_set1_r(), but is implemented using only load/store
 237  * operations that have been tested separately in the bootstrapping tests.
 238  */
 239 gmx_simd_real_t   setSimdRealFrom1R(real value);
 240
 241 /*! \brief Test if a SIMD real is bitwise identical to reference SIMD value. */
 242 #define GMX_EXPECT_SIMD_REAL_EQ(ref, tst)   EXPECT_PRED_FORMAT2(compareSimdRealEq, ref, tst)
 243
 244 /*! \brief Test if a SIMD real is within tolerance of reference SIMD value. */
 245 #define GMX_EXPECT_SIMD_REAL_NEAR(ref, tst) EXPECT_PRED_FORMAT2(compareSimdRealUlp, ref, tst)
 246
 247 #endif  // GMX_SIMD_HAVE_REAL
 248
 249 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_INT32
 250 /*! \brief Convert SIMD integer to std::vector<int>.
 251  *
 252  * The returned vector will have the same length as the SIMD width.
 253  */
 254 std::vector<int>   simdInt2Vector(const gmx_simd_int32_t simd);
 255
 256 /*! \brief Return 32-bit integer SIMD value from std::vector<int>.
 257  *
 258  * If the vector is longer than SIMD width, only the first elements will be used.
 259  * If it is shorter, the contents will be repeated to fill the SIMD register.
 260  */
 261 gmx_simd_int32_t   vector2SimdInt(const std::vector<int> &v);
 262
 263 /*! \brief Set SIMD register contents from three int values.
 264  *
 265  * Our reason for using three values is that 3 is not a factor in any known
 266  * SIMD width, so this way there will not be any simple repeated patterns e.g.
 267  * between the low/high 64/128/256 bits in the SIMD register, which could hide bugs.
 268  */
 269 gmx_simd_int32_t   setSimdIntFrom3I(int i0, int i1, int i2);
 270
 271 /*! \brief Set SIMD register contents from single integer value.
 272  *
 273  * All elements is set from the given value. This is effectively the same
 274  * operation as gmx_simd_set1_i(), but is implemented using only load/store
 275  * operations that have been tested separately in the bootstrapping tests.
 276  */
 277 gmx_simd_int32_t   setSimdIntFrom1I(int value);
 278
 279 /*! \brief Macro that checks SIMD integer expression against SIMD or reference int.
 280  *
 281  * If the reference argument is a scalar integer it will be expanded into
 282  * the width of the SIMD register and tested against all elements.
 283  */
 284 #define GMX_EXPECT_SIMD_INT_EQ(ref, tst)    EXPECT_PRED_FORMAT2(compareSimdInt32, ref, tst)
 285
 286 #endif  // GMX_SIMD_HAVE_INT32
 287
 288 /*! \} */
 289 /*! \endcond */
 290
 291 }      // namespace
 292 }      // namespace
 293
 294 #endif // GMX_SIMD_TESTS_SIMD_H