Update docs regarding writing optimizations:
[ffmpeg.git] / doc / optimization.txt
1 optimization Tips (for libavcodec):
2 ===================================
3
4 What to optimize:
5 -----------------
6 If you plan to do non-x86 architecture specific optimizations (SIMD normally),
7 then take a look in the x86/ directory, as most important functions are
8 already optimized for MMX.
9
10 If you want to do x86 optimizations then you can either try to finetune the
11 stuff in the x86 directory or find some other functions in the C source to
12 optimize, but there aren't many left.
13
14
15 Understanding these overoptimized functions:
16 --------------------------------------------
17 As many functions tend to be a bit difficult to understand because
18 of optimizations, it can be hard to optimize them further, or write
19 architecture-specific versions. It is recommended to look at older
20 revisions of the interesting files (for a web frontend try ViewVC at
21 http://svn.ffmpeg.org/ffmpeg/trunk/).
22 Alternatively, look into the other architecture-specific versions in
23 the x86/, ppc/, alpha/ subdirectories. Even if you don't exactly
24 comprehend the instructions, it could help understanding the functions
25 and how they can be optimized.
26
27 NOTE: If you still don't understand some function, ask at our mailing list!!!
28 (http://lists.mplayerhq.hu/mailman/listinfo/ffmpeg-devel)
29
30
31 When is an optimization justified?
32 ----------------------------------
33 Normally, clean and simple optimizations for widely used codecs are
34 justified even if they only achieve an overall speedup of 0.1%. These
35 speedups accumulate and can make a big difference after awhile. Also, if
36 none of the following factors get worse due to an optimization -- speed,
37 binary code size, source size, source readability -- and at least one
38 factor improves, then an optimization is always a good idea even if the
39 overall gain is less than 0.1%. For obscure codecs that are not often
40 used, the goal is more toward keeping the code clean, small, and
41 readable instead of making it 1% faster.
42
43
44 WTF is that function good for ....:
45 -----------------------------------
46 The primary purpose of this list is to avoid wasting time optimizing functions
47 which are rarely used.
48
49 put(_no_rnd)_pixels{,_x2,_y2,_xy2}
50     Used in motion compensation (en/decoding).
51
52 avg_pixels{,_x2,_y2,_xy2}
53     Used in motion compensation of B-frames.
54     These are less important than the put*pixels functions.
55
56 avg_no_rnd_pixels*
57     unused
58
59 pix_abs16x16{,_x2,_y2,_xy2}
60     Used in motion estimation (encoding) with SAD.
61
62 pix_abs8x8{,_x2,_y2,_xy2}
63     Used in motion estimation (encoding) with SAD of MPEG-4 4MV only.
64     These are less important than the pix_abs16x16* functions.
65
66 put_mspel8_mc* / wmv2_mspel8*
67     Used only in WMV2.
68     it is not recommended that you waste your time with these, as WMV2
69     is an ugly and relatively useless codec.
70
71 mpeg4_qpel* / *qpel_mc*
72     Used in MPEG-4 qpel motion compensation (encoding & decoding).
73     The qpel8 functions are used only for 4mv,
74     the avg_* functions are used only for B-frames.
75     Optimizing them should have a significant impact on qpel
76     encoding & decoding.
77
78 qpel{8,16}_mc??_old_c / *pixels{8,16}_l4
79     Just used to work around a bug in an old libavcodec encoder version.
80     Don't optimize them.
81
82 tpel_mc_func {put,avg}_tpel_pixels_tab
83     Used only for SVQ3, so only optimize them if you need fast SVQ3 decoding.
84
85 add_bytes/diff_bytes
86     For huffyuv only, optimize if you want a faster ffhuffyuv codec.
87
88 get_pixels / diff_pixels
89     Used for encoding, easy.
90
91 clear_blocks
92     easiest to optimize
93
94 gmc
95     Used for MPEG-4 gmc.
96     Optimizing this should have a significant effect on the gmc decoding
97     speed.
98
99 gmc1
100     Used for chroma blocks in MPEG-4 gmc with 1 warp point
101     (there are 4 luma & 2 chroma blocks per macroblock, so
102     only 1/3 of the gmc blocks use this, the other 2/3
103     use the normal put_pixel* code, but only if there is
104     just 1 warp point).
105     Note: DivX5 gmc always uses just 1 warp point.
106
107 pix_sum
108     Used for encoding.
109
110 hadamard8_diff / sse / sad == pix_norm1 / dct_sad / quant_psnr / rd / bit
111     Specific compare functions used in encoding, it depends upon the
112     command line switches which of these are used.
113     Don't waste your time with dct_sad & quant_psnr, they aren't
114     really useful.
115
116 put_pixels_clamped / add_pixels_clamped
117     Used for en/decoding in the IDCT, easy.
118     Note, some optimized IDCTs have the add/put clamped code included and
119     then put_pixels_clamped / add_pixels_clamped will be unused.
120
121 idct/fdct
122     idct (encoding & decoding)
123     fdct (encoding)
124     difficult to optimize
125
126 dct_quantize_trellis
127     Used for encoding with trellis quantization.
128     difficult to optimize
129
130 dct_quantize
131     Used for encoding.
132
133 dct_unquantize_mpeg1
134     Used in MPEG-1 en/decoding.
135
136 dct_unquantize_mpeg2
137     Used in MPEG-2 en/decoding.
138
139 dct_unquantize_h263
140     Used in MPEG-4/H.263 en/decoding.
141
142 FIXME remaining functions?
143 BTW, most of these functions are in dsputil.c/.h, some are in mpegvideo.c/.h.
144
145
146
147 Alignment:
148 Some instructions on some architectures have strict alignment restrictions,
149 for example most SSE/SSE2 instructions on x86.
150 The minimum guaranteed alignment is written in the .h files, for example:
151     void (*put_pixels_clamped)(const DCTELEM *block/*align 16*/, UINT8 *pixels/*align 8*/, int line_size);
152
153
154 General Tips:
155 -------------
156 Use asm loops like:
157 __asm__(
158     "1: ....
159     ...
160     "jump_instruction ....
161 Do not use C loops:
162 do{
163     __asm__(
164         ...
165 }while()
166
167 For x86, mark registers that are clobbered in your asm. This means both
168 general x86 registers (e.g. eax) as well as XMM registers. This last one is
169 particularly important on Win64, where xmm6-15 are callee-save, and not
170 restoring their contents leads to undefined results. In external asm (e.g.
171 yasm), you do this by using:
172 cglobal functon_name, num_args, num_regs, num_xmm_regs
173 In inline asm, you specify clobbered registers at the end of your asm:
174 __asm__(".." ::: "%eax").
175
176 Do not expect a compiler to maintain values in your registers between separate
177 (inline) asm code blocks. It is not required to. For example, this is bad:
178 __asm__("movdqa %0, %%xmm7" : src);
179 /* do something */
180 __asm__("movdqa %%xmm7, %1" : dst);
181 - first of all, you're assuming that the compiler will not use xmm7 in
182    between the two asm blocks.  It probably won't when you test it, but it's
183    a poor assumption that will break at some point for some --cpu compiler flag
184 - secondly, you didn't mark xmm7 as clobbered. If you did, the compiler would
185    have restored the original value of xmm7 after the first asm block, thus
186    rendering the combination of the two blocks of code invalid
187 Code that depends on data in registries being untouched, should be written as
188 a single __asm__() statement. Ideally, a single function contains only one
189 __asm__() block.
190
191 Use external asm (nasm/yasm) or inline asm (__asm__()), do not use intrinsics.
192 The latter requires a good optimizing compiler which gcc is not.
193
194 Inline asm vs. external asm
195 ---------------------------
196 Both inline asm (__asm__("..") in a .c file, handled by a compiler such as gcc)
197 and external asm (.s or .asm files, handled by an assembler such as yasm/nasm)
198 are accepted in FFmpeg. Which one to use differs per specific case.
199
200 - if your code is intended to be inlined in a C function, inline asm is always
201    better, because external asm cannot be inlined
202 - if your code calls external functions, yasm is always better
203 - if your code takes huge and complex structs as function arguments (e.g.
204    MpegEncContext; note that this is not ideal and is discouraged if there
205    are alternatives), then inline asm is always better, because predicting
206    member offsets in complex structs is almost impossible. It's safest to let
207    the compiler take care of that
208 - in many cases, both can be used and it just depends on the preference of the
209    person writing the asm. For new asm, the choice is up to you. For existing
210    asm, you'll likely want to maintain whatever form it is currently in unless
211    there is a good reason to change it.
212 - if, for some reason, you believe that a particular chunk of existing external
213    asm could be improved upon further if written in inline asm (or the other
214    way around), then please make the move from external asm <-> inline asm a
215    separate patch before your patches that actually improve the asm.
216
217
218 Links:
219 ======
220 http://www.aggregate.org/MAGIC/
221
222 x86-specific:
223 -------------
224 http://developer.intel.com/design/pentium4/manuals/248966.htm
225
226 The IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 2:
227 Instruction Set Reference
228 http://developer.intel.com/design/pentium4/manuals/245471.htm
229
230 http://www.agner.org/assem/
231
232 AMD Athlon Processor x86 Code Optimization Guide:
233 http://www.amd.com/us-en/assets/content_type/white_papers_and_tech_docs/22007.pdf
234
235
236 ARM-specific:
237 -------------
238 ARM Architecture Reference Manual (up to ARMv5TE):
239 http://www.arm.com/community/university/eulaarmarm.html
240
241 Procedure Call Standard for the ARM Architecture:
242 http://www.arm.com/pdfs/aapcs.pdf
243
244 Optimization guide for ARM9E (used in Nokia 770 Internet Tablet):
245 http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0240b/DDI0240A.pdf
246 Optimization guide for ARM11 (used in Nokia N800 Internet Tablet):
247 http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0211j/DDI0211J_arm1136_r1p5_trm.pdf
248 Optimization guide for Intel XScale (used in Sharp Zaurus PDA):
249 http://download.intel.com/design/intelxscale/27347302.pdf
250 Intel Wireless MMX2 Coprocessor: Programmers Reference Manual
251 http://download.intel.com/design/intelxscale/31451001.pdf
252
253 PowerPC-specific:
254 -----------------
255 PowerPC32/AltiVec PIM:
256 www.freescale.com/files/32bit/doc/ref_manual/ALTIVECPEM.pdf
257
258 PowerPC32/AltiVec PEM:
259 www.freescale.com/files/32bit/doc/ref_manual/ALTIVECPIM.pdf
260
261 CELL/SPU:
262 http://www-01.ibm.com/chips/techlib/techlib.nsf/techdocs/30B3520C93F437AB87257060006FFE5E/$file/Language_Extensions_for_CBEA_2.4.pdf
263 http://www-01.ibm.com/chips/techlib/techlib.nsf/techdocs/9F820A5FFA3ECE8C8725716A0062585F/$file/CBE_Handbook_v1.1_24APR2007_pub.pdf
264
265 SPARC-specific:
266 ---------------
267 SPARC Joint Programming Specification (JPS1): Commonality
268 http://www.fujitsu.com/downloads/PRMPWR/JPS1-R1.0.4-Common-pub.pdf
269
270 UltraSPARC III Processor User's Manual (contains instruction timings)
271 http://www.sun.com/processors/manuals/USIIIv2.pdf
272
273 VIS Whitepaper (contains optimization guidelines)
274 http://www.sun.com/processors/vis/download/vis/vis_whitepaper.pdf
275
276 GCC asm links:
277 --------------
278 official doc but quite ugly
279 http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Extended-Asm.html
280
281 a bit old (note "+" is valid for input-output, even though the next disagrees)
282 http://www.cs.virginia.edu/~clc5q/gcc-inline-asm.pdf