]> git.sesse.net Git - movit/blobdiff - fp16.cpp
Add a utility library for downconverting to fp16.
[movit] / fp16.cpp
diff --git a/fp16.cpp b/fp16.cpp
new file mode 100644 (file)
index 0000000..3738f5c
--- /dev/null
+++ b/fp16.cpp
@@ -0,0 +1,240 @@
+#include "fp16.h"
+
+namespace movit {
+namespace {
+
+union fp64 {
+       double f;
+       unsigned long long ll;
+};
+
+template<class FP16_INT_T,
+         int FP16_BIAS, int FP16_MANTISSA_BITS, int FP16_EXPONENT_BITS, int FP16_MAX_EXPONENT,
+         int FP64_BIAS, int FP64_MANTISSA_BITS, int FP64_EXPONENT_BITS, int FP64_MAX_EXPONENT>
+inline double fp_upconvert(FP16_INT_T x)
+{
+       int sign = x >> (FP16_MANTISSA_BITS + FP16_EXPONENT_BITS);
+       int exponent = (x & ((1ULL << (FP16_MANTISSA_BITS + FP16_EXPONENT_BITS)) - 1)) >> FP16_MANTISSA_BITS;
+       unsigned long long mantissa = x & ((1ULL << FP16_MANTISSA_BITS) - 1);
+
+       int sign64;
+       int exponent64;
+       unsigned long long mantissa64;
+
+       if (exponent == 0) {
+               /* 
+                * Denormals, or zero. Zero is still zero, denormals become
+                * ordinary numbers.
+                */
+               if (mantissa == 0) {
+                       sign64 = sign;
+                       exponent64 = 0;
+                       mantissa64 = 0;
+               } else {
+                       sign64 = sign;
+                       exponent64 = FP64_BIAS - FP16_BIAS;
+                       mantissa64 = mantissa << (FP64_MANTISSA_BITS - FP16_MANTISSA_BITS + 1);
+
+                       /* Normalize the number. */
+                       while ((mantissa64 & (1ULL << FP64_MANTISSA_BITS)) == 0) {
+                               --exponent64;
+                               mantissa64 <<= 1;
+                       }
+
+                       /* Clear the now-implicit one-bit. */
+                       mantissa64 &= ~(1ULL << FP64_MANTISSA_BITS);
+               }
+       } else if (exponent == FP16_MAX_EXPONENT) {
+               /*
+                * Infinities or NaN (mantissa=0 => infinity, otherwise NaN).
+                * We don't care much about NaNs, so let us just make sure we
+                * keep the first bit (which signals signalling/non-signalling
+                * in many implementations).
+                */
+               sign64 = sign;
+               exponent64 = FP64_MAX_EXPONENT;
+               mantissa64 = mantissa << (FP64_MANTISSA_BITS - FP16_MANTISSA_BITS);
+       } else {
+               sign64 = sign;
+
+               /* Up-conversion is simple. Just re-bias the exponent... */
+               exponent64 = exponent + FP64_BIAS - FP16_BIAS;
+
+               /* ...and convert the mantissa. */
+               mantissa64 = mantissa << (FP64_MANTISSA_BITS - FP16_MANTISSA_BITS);
+       }
+
+       union fp64 nx;
+       nx.ll = ((unsigned long long)sign64 << (FP64_MANTISSA_BITS + FP64_EXPONENT_BITS))
+           | ((unsigned long long)exponent64 << FP64_MANTISSA_BITS)
+           | mantissa64;
+       return nx.f;
+}
+               
+unsigned long long shift_right_with_round(unsigned long long x, unsigned shift)
+{
+       /* shifts >= 64 need to be special-cased */
+       if (shift > 64) {
+               return 0;
+       } else if (shift == 64) {
+               if (x > (1ULL << 63)) {
+                       return 1;
+               } else {
+                       return 0;
+               }
+       }
+
+       unsigned long long round_part = x & ((1ULL << shift) - 1);
+       if (round_part < (1ULL << (shift - 1))) {
+               /* round down */
+               x >>= shift;
+       } else if (round_part > (1ULL << (shift - 1))) {
+               /* round up */
+               x >>= shift;
+               ++x;
+       } else {
+               /* round to nearest even number */
+               x >>= shift;
+               if ((x & 1) != 0) {
+                       ++x;
+               }
+       }
+       return x;
+}
+
+template<class FP16_INT_T,
+         int FP16_BIAS, int FP16_MANTISSA_BITS, int FP16_EXPONENT_BITS, int FP16_MAX_EXPONENT,
+         int FP64_BIAS, int FP64_MANTISSA_BITS, int FP64_EXPONENT_BITS, int FP64_MAX_EXPONENT>
+inline FP16_INT_T fp_downconvert(double x)
+{
+       union fp64 nx;
+       nx.f = x;
+       unsigned long long f = nx.ll;
+       int sign = f >> (FP64_MANTISSA_BITS + FP64_EXPONENT_BITS);
+       int exponent = (f & ((1ULL << (FP64_MANTISSA_BITS + FP64_EXPONENT_BITS)) - 1)) >> FP64_MANTISSA_BITS;
+       unsigned long long mantissa = f & ((1ULL << FP64_MANTISSA_BITS) - 1);
+
+       int sign16;
+       int exponent16;
+       unsigned long long mantissa16;
+
+       if (exponent == 0) {
+               /*
+                * Denormals, or zero. The largest possible 64-bit
+                * denormal is about +- 2^-1022, and the smallest possible
+                * 16-bit denormal is +- 2^-24. Thus, we can safely
+                * just set all of these to zero (but keep the sign bit).
+                */
+               sign16 = sign;
+               exponent16 = 0;
+               mantissa16 = 0;
+       } else if (exponent == FP64_MAX_EXPONENT) {
+               /*
+                * Infinities or NaN (mantissa=0 => infinity, otherwise NaN).
+                * We don't care much about NaNs, so let us just keep the first
+                * bit (which signals signalling/ non-signalling) and make sure 
+                * that we don't coerce NaNs down to infinities.
+                */
+               if (mantissa == 0) {
+                       sign16 = sign;
+                       exponent16 = FP16_MAX_EXPONENT;
+                       mantissa16 = 0;
+               } else {
+                       sign16 = sign;  /* undefined */
+                       exponent16 = FP16_MAX_EXPONENT;
+                       mantissa16 = mantissa >> (FP64_MANTISSA_BITS - FP16_MANTISSA_BITS);
+                       if (mantissa16 == 0) {
+                               mantissa16 = 1;
+                       }
+               }
+       } else {
+               /* Re-bias the exponent, and check if we will create a denormal. */
+               exponent16 = exponent + FP16_BIAS - FP64_BIAS;
+               if (exponent16 <= 0) {
+                       int shift_amount = FP64_MANTISSA_BITS - FP16_MANTISSA_BITS - exponent16 + 1;
+                       sign16 = sign;
+                       exponent16 = 0;
+                       mantissa16 = shift_right_with_round(mantissa | (1ULL << FP64_MANTISSA_BITS), shift_amount);
+
+                       /*
+                        * We could actually have rounded back into the lowest possible non-denormal
+                        * here, so check for that.
+                        */
+                       if (mantissa16 == (1ULL << FP16_MANTISSA_BITS)) {
+                               exponent16 = 1;
+                               mantissa16 = 0;
+                       }
+               } else {
+                       /*
+                        * First, round off the mantissa, since that could change
+                        * the exponent. We use standard IEEE 754r roundTiesToEven
+                        * mode.
+                        */
+                       sign16 = sign;
+                       mantissa16 = shift_right_with_round(mantissa, FP64_MANTISSA_BITS - FP16_MANTISSA_BITS);
+
+                       /* Check if we overflowed and need to increase the exponent. */
+                       if (mantissa16 == (1ULL << FP16_MANTISSA_BITS)) {
+                               ++exponent16;
+                               mantissa16 = 0;
+                       }
+
+                       /* Finally, check for overflow, and create +- inf if we need to. */
+                       if (exponent16 >= FP16_MAX_EXPONENT) {
+                               exponent16 = FP16_MAX_EXPONENT;
+                               mantissa16 = 0;
+                       }
+               }
+       }
+
+       return (sign16 << (FP16_MANTISSA_BITS + FP16_EXPONENT_BITS))
+           | (exponent16 << FP16_MANTISSA_BITS)
+           | mantissa16;
+}
+
+const int FP64_BIAS = 1023;
+const int FP64_MANTISSA_BITS = 52;
+const int FP64_EXPONENT_BITS = 11;
+const int FP64_MAX_EXPONENT = (1 << FP64_EXPONENT_BITS) - 1;
+
+const int FP32_BIAS = 127;
+const int FP32_MANTISSA_BITS = 23;
+const int FP32_EXPONENT_BITS = 8;
+const int FP32_MAX_EXPONENT = (1 << FP32_EXPONENT_BITS) - 1;
+
+const int FP16_BIAS = 15;
+const int FP16_MANTISSA_BITS = 10;
+const int FP16_EXPONENT_BITS = 5;
+const int FP16_MAX_EXPONENT = (1 << FP16_EXPONENT_BITS) - 1;
+
+}  // namespace
+
+double fp16_to_fp64(fp16_int_t x)
+{
+       return fp_upconvert<fp16_int_t,
+              FP16_BIAS, FP16_MANTISSA_BITS, FP16_EXPONENT_BITS, FP16_MAX_EXPONENT,
+              FP64_BIAS, FP64_MANTISSA_BITS, FP64_EXPONENT_BITS, FP64_MAX_EXPONENT>(x);
+}
+
+fp16_int_t fp64_to_fp16(double x)
+{
+       return fp_downconvert<fp16_int_t,
+              FP16_BIAS, FP16_MANTISSA_BITS, FP16_EXPONENT_BITS, FP16_MAX_EXPONENT,
+              FP64_BIAS, FP64_MANTISSA_BITS, FP64_EXPONENT_BITS, FP64_MAX_EXPONENT>(x);
+}
+
+double fp32_to_fp64(fp32_int_t x)
+{
+       return fp_upconvert<fp32_int_t,
+              FP32_BIAS, FP32_MANTISSA_BITS, FP32_EXPONENT_BITS, FP32_MAX_EXPONENT,
+              FP64_BIAS, FP64_MANTISSA_BITS, FP64_EXPONENT_BITS, FP64_MAX_EXPONENT>(x);
+}
+
+fp32_int_t fp64_to_fp32(double x)
+{
+       return fp_downconvert<fp32_int_t,
+              FP32_BIAS, FP32_MANTISSA_BITS, FP32_EXPONENT_BITS, FP32_MAX_EXPONENT,
+              FP64_BIAS, FP64_MANTISSA_BITS, FP64_EXPONENT_BITS, FP64_MAX_EXPONENT>(x);
+}
+
+}  // namespace