O-RAN E Maintenance Release contribution for ODULOW
[o-du/phy.git] / fhi_lib / lib / src / xran_bfp_uplane.cpp
diff --git a/fhi_lib/lib/src/xran_bfp_uplane.cpp b/fhi_lib/lib/src/xran_bfp_uplane.cpp
new file mode 100644 (file)
index 0000000..a345df4
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,435 @@
+/******************************************************************************
+*
+*   Copyright (c) 2020 Intel.
+*
+*   Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
+*   you may not use this file except in compliance with the License.
+*   You may obtain a copy of the License at
+*
+*       http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
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+*   Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
+*   distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
+*   WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
+*   See the License for the specific language governing permissions and
+*   limitations under the License.
+*
+*******************************************************************************/
+
+/**
+ * @brief xRAN BFP compression/decompression U-plane implementation and interface functions
+ *
+ * @file xran_compression.cpp
+ * @ingroup group_source_xran
+ * @author Intel Corporation
+ **/
+
+#include "xran_compression.hpp"
+#include "xran_bfp_utils.hpp"
+#include "xran_bfp_byte_packing_utils.hpp"
+#include "xran_compression.h"
+#include <complex>
+#include <algorithm>
+#include <immintrin.h>
+
+
+namespace BFP_UPlane
+{
+  /// Namespace constants
+  const int k_numREReal = 24; /// 12 IQ pairs
+
+
+  /// Compute exponent value for a set of 16 RB from the maximum absolute value.
+  /// Max Abs operates in a loop, executing 4 RB per iteration. The results are
+  /// packed into the final output register.
+  __m512i
+  computeExponent_16RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, const __m512i totShiftBits)
+  {
+    __m512i maxAbs = __m512i();
+    const __m512i* rawData = reinterpret_cast<const __m512i*>(dataIn.dataExpanded);
+    /// Max Abs loop operates on 4RB at a time
+#pragma unroll(4)
+    for (int n = 0; n < 4; ++n)
+    {
+      /// Re-order and vertical max abs
+      auto maxAbsVert = BlockFloatCompander::maxAbsVertical4RB(rawData[3 * n + 0], rawData[3 * n + 1], rawData[3 * n + 2]);
+      /// Horizontal max abs
+      auto maxAbsHorz = BlockFloatCompander::horizontalMax4x16(maxAbsVert);
+      /// Pack these 4 values into maxAbs
+      maxAbs = BlockFloatCompander::slidePermute(maxAbsHorz, maxAbs, n);
+    }
+    /// Calculate exponent
+    const auto maxAbs32 = BlockFloatCompander::maskUpperWord(maxAbs);
+    return BlockFloatCompander::expLzCnt(maxAbs32, totShiftBits);
+  }
+
+
+  /// Compute exponent value for a set of 4 RB from the maximum absolute value.
+  /// Note that we do not need to perform any packing of result as we are only
+  /// computing 4 RB. The appropriate offset is taken later when extracting the
+  /// exponent.
+  __m512i
+  computeExponent_4RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, const __m512i totShiftBits)
+  {
+    const __m512i* rawData = reinterpret_cast<const __m512i*>(dataIn.dataExpanded);
+    /// Re-order and vertical max abs
+    const auto maxAbsVert = BlockFloatCompander::maxAbsVertical4RB(rawData[0], rawData[1], rawData[2]);
+    /// Horizontal max abs
+    const auto maxAbsHorz = BlockFloatCompander::horizontalMax4x16(maxAbsVert);
+    /// Calculate exponent
+    const auto maxAbs = BlockFloatCompander::maskUpperWord(maxAbsHorz);
+    return BlockFloatCompander::expLzCnt(maxAbs, totShiftBits);
+  }
+
+
+  /// Compute exponent value for 1 RB from the maximum absolute value.
+  /// This works with horizontal max abs only, and needs to include a
+  /// step to select the final exponent from the 4 lanes.
+  uint8_t
+  computeExponent_1RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, const __m512i totShiftBits)
+  {
+    const __m512i* rawData = reinterpret_cast<const __m512i*>(dataIn.dataExpanded);
+    /// Abs
+    const auto rawDataAbs = _mm512_abs_epi16(rawData[0]);
+    /// No need to do a full horizontal max operation here, just do a max IQ step,
+    /// compute the exponents and then use a reduce max over all exponent values. This
+    /// is the fastest way to handle a single RB.
+    const auto rawAbsIQSwap = _mm512_rol_epi32(rawDataAbs, BlockFloatCompander::k_numBitsIQ);
+    const auto maxAbsIQ = _mm512_max_epi16(rawDataAbs, rawAbsIQSwap);
+    /// Calculate exponent
+    const auto maxAbsIQ32 = BlockFloatCompander::maskUpperWord(maxAbsIQ);
+    const auto exps = BlockFloatCompander::expLzCnt(maxAbsIQ32, totShiftBits);
+    /// At this point we have exponent values for the maximum of each IQ pair.
+    /// Run a reduce max step to compute the maximum exponent value in the first
+    /// three lanes - this will give the desired exponent for this RB.
+    constexpr uint16_t k_expMsk = 0x0FFF;
+    return (uint8_t)_mm512_mask_reduce_max_epi32(k_expMsk, exps);
+  }
+
+
+  /// Apply compression to 1 RB
+  template<BlockFloatCompander::PackFunction networkBytePack>
+  void
+  applyCompressionN_1RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, BlockFloatCompander::CompressedData* dataOut,
+                        const int numREOffset, const uint8_t thisExp, const int thisRBExpAddr, const uint16_t rbWriteMask)
+  {
+    /// Get AVX512 pointer aligned to desired RB
+    const __m512i* rawDataIn = reinterpret_cast<const __m512i*>(dataIn.dataExpanded + numREOffset);
+    /// Apply the exponent shift
+    const auto compData = _mm512_srai_epi16(*rawDataIn, thisExp);
+    /// Pack compressed data network byte order
+    const auto compDataBytePacked = networkBytePack(compData);
+    /// Store exponent first
+    dataOut->dataCompressed[thisRBExpAddr] = thisExp;
+    /// Now have 1 RB worth of bytes separated into 3 chunks (1 per lane)
+    /// Use three offset stores to join
+    _mm_mask_storeu_epi8(dataOut->dataCompressed + thisRBExpAddr + 1, rbWriteMask, _mm512_extracti64x2_epi64(compDataBytePacked, 0));
+    _mm_mask_storeu_epi8(dataOut->dataCompressed + thisRBExpAddr + 1 + dataIn.iqWidth, rbWriteMask, _mm512_extracti64x2_epi64(compDataBytePacked, 1));
+    _mm_mask_storeu_epi8(dataOut->dataCompressed + thisRBExpAddr + 1 + (2 * dataIn.iqWidth), rbWriteMask, _mm512_extracti64x2_epi64(compDataBytePacked, 2));
+  }
+
+
+  /// Apply 9, 10, or 12bit compression to 16 RB
+  template<BlockFloatCompander::PackFunction networkBytePack>
+  void
+  compressN_16RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, BlockFloatCompander::CompressedData* dataOut,
+                 const __m512i totShiftBits, const int totNumBytesPerRB, const uint16_t rbWriteMask)
+  {
+    const auto exponents = computeExponent_16RB(dataIn, totShiftBits);
+#pragma unroll(16)
+    for (int n = 0; n < 16; ++n)
+    {
+      applyCompressionN_1RB<networkBytePack>(dataIn, dataOut, n * k_numREReal, ((uint8_t*)&exponents)[n * 4], n * totNumBytesPerRB, rbWriteMask);
+    }
+  }
+
+
+  /// Apply 9, 10, or 12bit compression to 4 RB
+  template<BlockFloatCompander::PackFunction networkBytePack>
+  void
+  compressN_4RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, BlockFloatCompander::CompressedData* dataOut,
+                const __m512i totShiftBits, const int totNumBytesPerRB, const uint16_t rbWriteMask)
+  {
+    const auto exponents = computeExponent_4RB(dataIn, totShiftBits);
+#pragma unroll(4)
+    for (int n = 0; n < 4; ++n)
+    {
+      applyCompressionN_1RB<networkBytePack>(dataIn, dataOut, n * k_numREReal, ((uint8_t*)&exponents)[n * 16], n * totNumBytesPerRB, rbWriteMask);
+    }
+  }
+
+
+  /// Apply 9, 10, or 12bit compression to 1 RB
+  template<BlockFloatCompander::PackFunction networkBytePack>
+  void
+  compressN_1RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, BlockFloatCompander::CompressedData* dataOut,
+                const __m512i totShiftBits, const int totNumBytesPerRB, const uint16_t rbWriteMask)
+  {
+    const auto thisExponent = computeExponent_1RB(dataIn, totShiftBits);
+    applyCompressionN_1RB<networkBytePack>(dataIn, dataOut, 0, thisExponent, 0, rbWriteMask);
+  }
+
+
+  /// Calls compression function specific to the number of RB to be executed. For 9, 10, or 12bit iqWidth.
+  template<BlockFloatCompander::PackFunction networkBytePack>
+  void
+  compressByAllocN(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, BlockFloatCompander::CompressedData* dataOut,
+                   const __m512i totShiftBits, const int totNumBytesPerRB, const uint16_t rbWriteMask)
+  {
+    switch (dataIn.numBlocks)
+    {
+    case 16:
+      compressN_16RB<networkBytePack>(dataIn, dataOut, totShiftBits, totNumBytesPerRB, rbWriteMask);
+      break;
+
+    case 4:
+      compressN_4RB<networkBytePack>(dataIn, dataOut, totShiftBits, totNumBytesPerRB, rbWriteMask);
+      break;
+
+    case 1:
+      compressN_1RB<networkBytePack>(dataIn, dataOut, totShiftBits, totNumBytesPerRB, rbWriteMask);
+      break;
+    }
+  }
+
+
+  /// Apply compression to 1 RB
+  void
+  applyCompression8_1RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, BlockFloatCompander::CompressedData* dataOut,
+                        const int numREOffset, const uint8_t thisExp, const int thisRBExpAddr)
+  {
+    /// Get AVX512 pointer aligned to desired RB
+    const __m512i* rawDataIn = reinterpret_cast<const __m512i*>(dataIn.dataExpanded + numREOffset);
+    /// Apply the exponent shift
+    const auto compData = _mm512_srai_epi16(*rawDataIn, thisExp);
+    /// Store exponent first
+    dataOut->dataCompressed[thisRBExpAddr] = thisExp;
+    /// Now have 1 RB worth of bytes separated into 3 chunks (1 per lane)
+    /// Use three offset stores to join
+    constexpr uint32_t k_rbMask = 0x00FFFFFF; // Write mask for 1RB (24 values)
+    _mm256_mask_storeu_epi8(dataOut->dataCompressed + thisRBExpAddr + 1, k_rbMask, _mm512_cvtepi16_epi8(compData));
+  }
+
+
+  /// 8bit RB compression loop for 16 RB
+  void
+  compress8_16RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, BlockFloatCompander::CompressedData* dataOut, const __m512i totShiftBits)
+  {
+    const auto exponents = computeExponent_16RB(dataIn, totShiftBits);
+#pragma unroll(16)
+    for (int n = 0; n < 16; ++n)
+    {
+      applyCompression8_1RB(dataIn, dataOut, n * k_numREReal, ((uint8_t*)&exponents)[n * 4], n * (k_numREReal + 1));
+    }
+  }
+
+
+  /// 8bit RB compression loop for 4 RB
+  void
+  compress8_4RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, BlockFloatCompander::CompressedData* dataOut, const __m512i totShiftBits)
+  {
+    const auto exponents = computeExponent_4RB(dataIn, totShiftBits);
+#pragma unroll(4)
+    for (int n = 0; n < 4; ++n)
+    {
+      applyCompression8_1RB(dataIn, dataOut, n * k_numREReal, ((uint8_t*)&exponents)[n * 16], n * (k_numREReal + 1));
+    }
+  }
+
+
+  /// 8bit RB compression loop for 4 RB
+  void
+  compress8_1RB(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, BlockFloatCompander::CompressedData* dataOut, const __m512i totShiftBits)
+  {
+    const auto thisExponent = computeExponent_1RB(dataIn, totShiftBits);
+    applyCompression8_1RB(dataIn, dataOut, 0, thisExponent, 0);
+  }
+
+
+  /// Calls compression function specific to the number of RB to be executed. For 8 bit iqWidth.
+  void
+  compressByAlloc8(const BlockFloatCompander::ExpandedData& dataIn, BlockFloatCompander::CompressedData* dataOut, const __m512i totShiftBits)
+  {
+    switch (dataIn.numBlocks)
+    {
+    case 16:
+      compress8_16RB(dataIn, dataOut, totShiftBits);
+      break;
+
+    case 4:
+      compress8_4RB(dataIn, dataOut, totShiftBits);
+      break;
+
+    case 1:
+      compress8_1RB(dataIn, dataOut, totShiftBits);
+      break;
+    }
+  }
+
+
+  /// Apply compression to 1 RB
+  template<BlockFloatCompander::UnpackFunction networkByteUnpack>
+  void
+  applyExpansionN_1RB(const BlockFloatCompander::CompressedData& dataIn, BlockFloatCompander::ExpandedData* dataOut,
+                      const int expAddr, const int thisRBAddr, const int maxExpShift)
+  {
+    /// Unpack network order packed data
+    const auto dataUnpacked = networkByteUnpack(dataIn.dataCompressed + expAddr + 1);
+    /// Apply exponent scaling (by appropriate arithmetic shift right)
+    const auto dataExpanded = _mm512_srai_epi16(dataUnpacked, maxExpShift - *(dataIn.dataCompressed + expAddr));
+    /// Write expanded data to output
+    static constexpr uint32_t k_WriteMask = 0x00FFFFFF;
+    _mm512_mask_storeu_epi16(dataOut->dataExpanded + thisRBAddr, k_WriteMask, dataExpanded);
+  }
+
+
+  /// Calls compression function specific to the number of RB to be executed. For 9, 10, or 12bit iqWidth.
+  template<BlockFloatCompander::UnpackFunction networkByteUnpack>
+  void
+  expandByAllocN(const BlockFloatCompander::CompressedData& dataIn, BlockFloatCompander::ExpandedData* dataOut,
+                 const int totNumBytesPerRB, const int maxExpShift)
+  {
+    switch (dataIn.numBlocks)
+    {
+    case 16:
+#pragma unroll(16)
+      for (int n = 0; n < 16; ++n)
+      {
+        applyExpansionN_1RB<networkByteUnpack>(dataIn, dataOut, n * totNumBytesPerRB, n * k_numREReal, maxExpShift);
+      }
+      break;
+
+    case 4:
+#pragma unroll(4)
+      for (int n = 0; n < 4; ++n)
+      {
+        applyExpansionN_1RB<networkByteUnpack>(dataIn, dataOut, n * totNumBytesPerRB, n * k_numREReal, maxExpShift);
+      }
+      break;
+
+    case 1:
+      applyExpansionN_1RB<networkByteUnpack>(dataIn, dataOut, 0, 0, maxExpShift);
+      break;
+    }
+  }
+
+
+  /// Apply expansion to 1 RB and store
+  void
+  applyExpansion8_1RB(const BlockFloatCompander::CompressedData& dataIn, BlockFloatCompander::ExpandedData* dataOut,
+                      const int expAddr, const int thisRBAddr)
+  {
+    const __m256i* rawDataIn = reinterpret_cast<const __m256i*>(dataIn.dataCompressed + expAddr + 1);
+    const auto compData16 = _mm512_cvtepi8_epi16(*rawDataIn);
+    const auto expData = _mm512_slli_epi16(compData16, *(dataIn.dataCompressed + expAddr));
+    constexpr uint8_t k_rbMask64 = 0b00111111; // 64b write mask for 1RB (24 int16 values)
+    _mm512_mask_storeu_epi64(dataOut->dataExpanded + thisRBAddr, k_rbMask64, expData);
+  }
+
+
+  /// Calls expansion function specific to the number of RB to be executed. For 8 bit iqWidth.
+  void
+  expandByAlloc8(const BlockFloatCompander::CompressedData& dataIn, BlockFloatCompander::ExpandedData* dataOut)
+  {
+    switch (dataIn.numBlocks)
+    {
+    case 16:
+#pragma unroll(16)
+      for (int n = 0; n < 16; ++n)
+      {
+        applyExpansion8_1RB(dataIn, dataOut, n * (k_numREReal + 1), n * k_numREReal);
+      }
+      break;
+
+    case 4:
+#pragma unroll(4)
+      for (int n = 0; n < 4; ++n)
+      {
+        applyExpansion8_1RB(dataIn, dataOut, n * (k_numREReal + 1), n * k_numREReal);
+      }
+      break;
+
+    case 1:
+      applyExpansion8_1RB(dataIn, dataOut, 0, 0);
+      break;
+    }
+  }
+}
+
+
+
+/// Main kernel function for compression.
+/// Starts by determining iqWidth specific parameters and functions.
+void
+BlockFloatCompander::BFPCompressUserPlaneAvx512(const ExpandedData& dataIn, CompressedData* dataOut)
+{
+  /// Compensation for extra zeros in 32b leading zero count when computing exponent
+  const auto totShiftBits8 = _mm512_set1_epi32(25);
+  const auto totShiftBits9 = _mm512_set1_epi32(24);
+  const auto totShiftBits10 = _mm512_set1_epi32(23);
+  const auto totShiftBits12 = _mm512_set1_epi32(21);
+
+  /// Total number of compressed bytes per RB for each iqWidth option
+  constexpr int totNumBytesPerRB9 = 28;
+  constexpr int totNumBytesPerRB10 = 31;
+  constexpr int totNumBytesPerRB12 = 37;
+
+  /// Compressed data write mask for each iqWidth option
+  constexpr uint16_t rbWriteMask9 = 0x01FF;
+  constexpr uint16_t rbWriteMask10 = 0x03FF;
+  constexpr uint16_t rbWriteMask12 = 0x0FFF;
+
+  switch (dataIn.iqWidth)
+  {
+  case 8:
+    BFP_UPlane::compressByAlloc8(dataIn, dataOut, totShiftBits8);
+    break;
+
+  case 9:
+    BFP_UPlane::compressByAllocN<BlockFloatCompander::networkBytePack9b>(dataIn, dataOut, totShiftBits9, totNumBytesPerRB9, rbWriteMask9);
+    break;
+
+  case 10:
+    BFP_UPlane::compressByAllocN<BlockFloatCompander::networkBytePack10b>(dataIn, dataOut, totShiftBits10, totNumBytesPerRB10, rbWriteMask10);
+    break;
+
+  case 12:
+    BFP_UPlane::compressByAllocN<BlockFloatCompander::networkBytePack12b>(dataIn, dataOut, totShiftBits12, totNumBytesPerRB12, rbWriteMask12);
+    break;
+  }
+}
+
+
+
+/// Main kernel function for expansion.
+/// Starts by determining iqWidth specific parameters and functions.
+void
+BlockFloatCompander::BFPExpandUserPlaneAvx512(const CompressedData& dataIn, ExpandedData* dataOut)
+{
+  constexpr int k_totNumBytesPerRB9 = 28;
+  constexpr int k_totNumBytesPerRB10 = 31;
+  constexpr int k_totNumBytesPerRB12 = 37;
+
+  constexpr int k_maxExpShift9 = 7;
+  constexpr int k_maxExpShift10 = 6;
+  constexpr int k_maxExpShift12 = 4;
+
+  switch (dataIn.iqWidth)
+  {
+  case 8:
+    BFP_UPlane::expandByAlloc8(dataIn, dataOut);
+    break;
+
+  case 9:
+    BFP_UPlane::expandByAllocN<BlockFloatCompander::networkByteUnpack9b>(dataIn, dataOut, k_totNumBytesPerRB9, k_maxExpShift9);
+    break;
+
+  case 10:
+    BFP_UPlane::expandByAllocN<BlockFloatCompander::networkByteUnpack10b>(dataIn, dataOut, k_totNumBytesPerRB10, k_maxExpShift10);
+    break;
+
+  case 12:
+    BFP_UPlane::expandByAllocN<BlockFloatCompander::networkByteUnpack12b>(dataIn, dataOut, k_totNumBytesPerRB12, k_maxExpShift12);
+    break;
+  }
+}
\ No newline at end of file