1 #include "config.h"
2 #include "libbench2/bench.h"
3 #include <math.h>
4 
5 #define DG unsigned short
6 #define ACC unsigned long
7 #define REAL bench_real
8 #define BITS_IN_REAL 53 /* mantissa */
9 
10 #define SHFT 16
11 #define RADIX 65536L
12 #define IRADIX (1.0 / RADIX)
13 #define LO(x) ((x) & (RADIX - 1))
14 #define HI(x) ((x) >> SHFT)
15 #define HI_SIGNED(x) \
16    ((((x) + (ACC)(RADIX >> 1) * RADIX) >> SHFT) - (RADIX >> 1))
17 #define ZEROEXP (-32768)
18 
19 #define LEN 10
20 
21 typedef struct {
22      short sign;
23      short expt;
24      DG d[LEN];
25 } N[1];
26 
27 #define EXA a->expt
28 #define EXB b->expt
29 #define EXC c->expt
30 
31 #define AD a->d
32 #define BD b->d
33 
34 #define SGNA a->sign
35 #define SGNB b->sign
36 
37 static const N zero = {{ 1, ZEROEXP, {0} }};
38 
cpy(const N a,N b)39 static void cpy(const N a, N b)
40 {
41      *b = *a;
42 }
43 
fromreal(REAL x,N a)44 static void fromreal(REAL x, N a)
45 {
46      int i, e;
47 
48      cpy(zero, a);
49      if (x == 0.0) return;
50 
51      if (x >= 0) { SGNA = 1; }
52      else       { SGNA = -1; x = -x; }
53 
54      e = 0;
55      while (x >= 1.0) { x *= IRADIX; ++e; }
56      while (x < IRADIX) { x *= RADIX; --e; }
57      EXA = e;
58 
59      for (i = LEN - 1; i >= 0 && x != 0.0; --i) {
60 	  REAL y;
61 
62 	  x *= RADIX;
63 	  y = (REAL) ((int) x);
64 	  AD[i] = (DG)y;
65 	  x -= y;
66      }
67 }
68 
fromshort(int x,N a)69 static void fromshort(int x, N a)
70 {
71      cpy(zero, a);
72 
73      if (x < 0) { x = -x; SGNA = -1; }
74      else { SGNA = 1; }
75      EXA = 1;
76      AD[LEN - 1] = x;
77 }
78 
pack(DG * d,int e,int s,int l,N a)79 static void pack(DG *d, int e, int s, int l, N a)
80 {
81      int i, j;
82 
83      for (i = l - 1; i >= 0; --i, --e)
84 	  if (d[i] != 0)
85 	       break;
86 
87      if (i < 0) {
88 	  /* number is zero */
89 	  cpy(zero, a);
90      } else {
91 	  EXA = e;
92 	  SGNA = s;
93 
94 	  if (i >= LEN - 1) {
95 	       for (j = LEN - 1; j >= 0; --i, --j)
96 		    AD[j] = d[i];
97 	  } else {
98 	       for (j = LEN - 1; i >= 0; --i, --j)
99 		    AD[j] = d[i];
100 	       for ( ; j >= 0; --j)
101 		    AD[j] = 0;
102 	  }
103      }
104 }
105 
106 
107 /* compare absolute values */
abscmp(const N a,const N b)108 static int abscmp(const N a, const N b)
109 {
110      int i;
111      if (EXA > EXB) return 1;
112      if (EXA < EXB) return -1;
113      for (i = LEN - 1; i >= 0; --i) {
114 	  if (AD[i] > BD[i])
115 	       return 1;
116 	  if (AD[i] < BD[i])
117 	       return -1;
118      }
119      return 0;
120 }
121 
eq(const N a,const N b)122 static int eq(const N a, const N b)
123 {
124      return (SGNA == SGNB) && (abscmp(a, b) == 0);
125 }
126 
127 /* add magnitudes, for |a| >= |b| */
addmag0(int s,const N a,const N b,N c)128 static void addmag0(int s, const N a, const N b, N c)
129 {
130      int ia, ib;
131      ACC r = 0;
132      DG d[LEN + 1];
133 
134      for (ia = 0, ib = EXA - EXB; ib < LEN; ++ia, ++ib) {
135 	  r += (ACC)AD[ia] + (ACC)BD[ib];
136 	  d[ia] = LO(r);
137 	  r = HI(r);
138      }
139      for (; ia < LEN; ++ia) {
140 	  r += (ACC)AD[ia];
141 	  d[ia] = LO(r);
142 	  r = HI(r);
143      }
144      d[ia] = LO(r);
145      pack(d, EXA + 1, s * SGNA, LEN + 1, c);
146 }
147 
addmag(int s,const N a,const N b,N c)148 static void addmag(int s, const N a, const N b, N c)
149 {
150      if (abscmp(a, b) > 0) addmag0(1, a, b, c); else addmag0(s, b, a, c);
151 }
152 
153 /* subtract magnitudes, for |a| >= |b| */
submag0(int s,const N a,const N b,N c)154 static void submag0(int s, const N a, const N b, N c)
155 {
156      int ia, ib;
157      ACC r = 0;
158      DG d[LEN];
159 
160      for (ia = 0, ib = EXA - EXB; ib < LEN; ++ia, ++ib) {
161 	  r += (ACC)AD[ia] - (ACC)BD[ib];
162 	  d[ia] = LO(r);
163 	  r = HI_SIGNED(r);
164      }
165      for (; ia < LEN; ++ia) {
166 	  r += (ACC)AD[ia];
167 	  d[ia] = LO(r);
168 	  r = HI_SIGNED(r);
169      }
170 
171      pack(d, EXA, s * SGNA, LEN, c);
172 }
173 
submag(int s,const N a,const N b,N c)174 static void submag(int s, const N a, const N b, N c)
175 {
176      if (abscmp(a, b) > 0) submag0(1, a, b, c); else submag0(s, b, a, c);
177 }
178 
179 /* c = a + b */
add(const N a,const N b,N c)180 static void add(const N a, const N b, N c)
181 {
182      if (SGNA == SGNB) addmag(1, a, b, c); else submag(1, a, b, c);
183 }
184 
sub(const N a,const N b,N c)185 static void sub(const N a, const N b, N c)
186 {
187      if (SGNA == SGNB) submag(-1, a, b, c); else addmag(-1, a, b, c);
188 }
189 
mul(const N a,const N b,N c)190 static void mul(const N a, const N b, N c)
191 {
192      DG d[2 * LEN];
193      int i, j, k;
194      ACC r;
195 
196      for (i = 0; i < LEN; ++i)
197 	  d[2 * i] = d[2 * i + 1] = 0;
198 
199      for (i = 0; i < LEN; ++i) {
200 	  ACC ai = AD[i];
201 	  if (ai) {
202 	       r = 0;
203 	       for (j = 0, k = i; j < LEN; ++j, ++k) {
204 		    r += ai * (ACC)BD[j] + (ACC)d[k];
205 		    d[k] = LO(r);
206 		    r = HI(r);
207 	       }
208 	       d[k] = LO(r);
209 	  }
210      }
211 
212      pack(d, EXA + EXB, SGNA * SGNB, 2 * LEN, c);
213 }
214 
toreal(const N a)215 static REAL toreal(const N a)
216 {
217      REAL h, l, f;
218      int i, bits;
219      ACC r;
220      DG sticky;
221 
222      if (EXA != ZEROEXP) {
223 	  f = IRADIX;
224 	  i = LEN;
225 
226 	  bits = 0;
227 	  h = (r = AD[--i]) * f; f *= IRADIX;
228 	  for (bits = 0; r > 0; ++bits)
229 	       r >>= 1;
230 
231 	  /* first digit */
232 	  while (bits + SHFT <= BITS_IN_REAL) {
233 	       h += AD[--i] * f;  f *= IRADIX; bits += SHFT;
234 	  }
235 
236 	  /* guard digit (leave one bit for sticky bit, hence `<' instead
237 	     of `<=') */
238 	  bits = 0; l = 0.0;
239 	  while (bits + SHFT < BITS_IN_REAL) {
240 	       l += AD[--i] * f;  f *= IRADIX; bits += SHFT;
241 	  }
242 
243 	  /* sticky bit */
244 	  sticky = 0;
245 	  while (i > 0)
246 	       sticky |= AD[--i];
247 
248 	  if (sticky)
249 	       l += (RADIX / 2) * f;
250 
251 	  h += l;
252 
253 	  for (i = 0; i < EXA; ++i) h *= (REAL)RADIX;
254 	  for (i = 0; i > EXA; --i) h *= IRADIX;
255 	  if (SGNA == -1) h = -h;
256 	  return h;
257      } else {
258 	  return 0.0;
259      }
260 }
261 
neg(N a)262 static void neg(N a)
263 {
264      SGNA = -SGNA;
265 }
266 
inv(const N a,N x)267 static void inv(const N a, N x)
268 {
269      N w, z, one, two;
270 
271      fromreal(1.0 / toreal(a), x); /* initial guess */
272      fromshort(1, one);
273      fromshort(2, two);
274 
275      for (;;) {
276 	  /* Newton */
277 	  mul(a, x, w);
278 	  sub(two, w, z);
279 	  if (eq(one, z)) break;
280 	  mul(x, z, x);
281      }
282 }
283 
284 
285 /* 2 pi */
286 static const N n2pi = {{
287      1, 1,
288      {18450, 59017, 1760, 5212, 9779, 4518, 2886, 54545, 18558, 6}
289 }};
290 
291 /* 1 / 31! */
292 static const N i31fac = {{
293      1, -7,
294      {28087, 45433, 51357, 24545, 14291, 3954, 57879, 8109, 38716, 41382}
295 }};
296 
297 
298 /* 1 / 32! */
299 static const N i32fac = {{
300      1, -7,
301      {52078, 60811, 3652, 39679, 37310, 47227, 28432, 57597, 13497, 1293}
302 }};
303 
msin(const N a,N b)304 static void msin(const N a, N b)
305 {
306      N a2, g, k;
307      int i;
308 
309      cpy(i31fac, g);
310      cpy(g, b);
311      mul(a, a, a2);
312 
313      /* Taylor */
314      for (i = 31; i > 1; i -= 2) {
315 	  fromshort(i * (i - 1), k);
316 	  mul(k, g, g);
317 	  mul(a2, b, k);
318 	  sub(g, k, b);
319      }
320      mul(a, b, b);
321 }
322 
mcos(const N a,N b)323 static void mcos(const N a, N b)
324 {
325      N a2, g, k;
326      int i;
327 
328      cpy(i32fac, g);
329      cpy(g, b);
330      mul(a, a, a2);
331 
332      /* Taylor */
333      for (i = 32; i > 0; i -= 2) {
334 	  fromshort(i * (i - 1), k);
335 	  mul(k, g, g);
336 	  mul(a2, b, k);
337 	  sub(g, k, b);
338      }
339 }
340 
by2pi(REAL m,REAL n,N a)341 static void by2pi(REAL m, REAL n, N a)
342 {
343      N b;
344 
345      fromreal(n, b);
346      inv(b, a);
347      fromreal(m, b);
348      mul(a, b, a);
349      mul(n2pi, a, a);
350 }
351 
352 static void sin2pi(REAL m, REAL n, N a);
cos2pi(REAL m,REAL n,N a)353 static void cos2pi(REAL m, REAL n, N a)
354 {
355      N b;
356      if (m < 0) cos2pi(-m, n, a);
357      else if (m > n * 0.5) cos2pi(n - m, n, a);
358      else if (m > n * 0.25) {sin2pi(m - n * 0.25, n, a); neg(a);}
359      else if (m > n * 0.125) sin2pi(n * 0.25 - m, n, a);
360      else { by2pi(m, n, b); mcos(b, a); }
361 }
362 
sin2pi(REAL m,REAL n,N a)363 static void sin2pi(REAL m, REAL n, N a)
364 {
365      N b;
366      if (m < 0)  {sin2pi(-m, n, a); neg(a);}
367      else if (m > n * 0.5) {sin2pi(n - m, n, a); neg(a);}
368      else if (m > n * 0.25) {cos2pi(m - n * 0.25, n, a);}
369      else if (m > n * 0.125) {cos2pi(n * 0.25 - m, n, a);}
370      else {by2pi(m, n, b); msin(b, a);}
371 }
372 
373 /*----------------------------------------------------------------------*/
374 /* FFT stuff */
375 
376 /* (r0 + i i0)(r1 + i i1) */
cmul(N r0,N i0,N r1,N i1,N r2,N i2)377 static void cmul(N r0, N i0, N r1, N i1, N r2, N i2)
378 {
379      N s, t, q;
380      mul(r0, r1, s);
381      mul(i0, i1, t);
382      sub(s, t, q);
383      mul(r0, i1, s);
384      mul(i0, r1, t);
385      add(s, t, i2);
386      cpy(q, r2);
387 }
388 
389 /* (r0 - i i0)(r1 + i i1) */
cmulj(N r0,N i0,N r1,N i1,N r2,N i2)390 static void cmulj(N r0, N i0, N r1, N i1, N r2, N i2)
391 {
392      N s, t, q;
393      mul(r0, r1, s);
394      mul(i0, i1, t);
395      add(s, t, q);
396      mul(r0, i1, s);
397      mul(i0, r1, t);
398      sub(s, t, i2);
399      cpy(q, r2);
400 }
401 
mcexp(int m,int n,N r,N i)402 static void mcexp(int m, int n, N r, N i)
403 {
404      static int cached_n = -1;
405      static N w[64][2];
406      int k, j;
407      if (n != cached_n) {
408 	  for (j = 1, k = 0; j < n; j += j, ++k) {
409 	       cos2pi(j, n, w[k][0]);
410 	       sin2pi(j, n, w[k][1]);
411 	  }
412 	  cached_n = n;
413      }
414 
415      fromshort(1, r);
416      fromshort(0, i);
417      if (m > 0) {
418 	  for (k = 0; m; ++k, m >>= 1)
419 	       if (m & 1)
420 		    cmul(w[k][0], w[k][1], r, i, r, i);
421      } else {
422 	  m = -m;
423 	  for (k = 0; m; ++k, m >>= 1)
424 	       if (m & 1)
425 		    cmulj(w[k][0], w[k][1], r, i, r, i);
426      }
427 }
428 
bitrev(int n,N * a)429 static void bitrev(int n, N *a)
430 {
431      int i, j, m;
432      for (i = j = 0; i < n - 1; ++i) {
433 	  if (i < j) {
434 	       N t;
435 	       cpy(a[2*i], t); cpy(a[2*j], a[2*i]); cpy(t, a[2*j]);
436 	       cpy(a[2*i+1], t); cpy(a[2*j+1], a[2*i+1]); cpy(t, a[2*j+1]);
437 	  }
438 
439 	  /* bit reversed counter */
440 	  m = n; do { m >>= 1; j ^= m; } while (!(j & m));
441      }
442 }
443 
fft0(int n,N * a,int sign)444 static void fft0(int n, N *a, int sign)
445 {
446      int i, j, k;
447 
448      bitrev(n, a);
449      for (i = 1; i < n; i = 2 * i) {
450 	  for (j = 0; j < i; ++j) {
451 	       N wr, wi;
452 	       mcexp(sign * (int)j, 2 * i, wr, wi);
453 	       for (k = j; k < n; k += 2 * i) {
454 		    N *a0 = a + 2 * k;
455 		    N *a1 = a0 + 2 * i;
456 		    N r0, i0, r1, i1, t0, t1, xr, xi;
457 		    cpy(a0[0], r0); cpy(a0[1], i0);
458 		    cpy(a1[0], r1); cpy(a1[1], i1);
459 		    mul(r1, wr, t0); mul(i1, wi, t1); sub(t0, t1, xr);
460 		    mul(r1, wi, t0); mul(i1, wr, t1); add(t0, t1, xi);
461 		    add(r0, xr, a0[0]);  add(i0, xi, a0[1]);
462 		    sub(r0, xr, a1[0]);  sub(i0, xi, a1[1]);
463 	       }
464 	  }
465      }
466 }
467 
468 /* a[2*k]+i*a[2*k+1] = exp(2*pi*i*k^2/(2*n)) */
bluestein_sequence(int n,N * a)469 static void bluestein_sequence(int n, N *a)
470 {
471      int k, ksq, n2 = 2 * n;
472 
473      ksq = 1; /* (-1)^2 */
474      for (k = 0; k < n; ++k) {
475 	  /* careful with overflow */
476 	  ksq = ksq + 2*k - 1; while (ksq > n2) ksq -= n2;
477 	  mcexp(ksq, n2, a[2*k], a[2*k+1]);
478      }
479 }
480 
pow2_atleast(int x)481 static int pow2_atleast(int x)
482 {
483      int h;
484      for (h = 1; h < x; h = 2 * h)
485 	  ;
486      return h;
487 }
488 
489 static N *cached_bluestein_w = 0;
490 static N *cached_bluestein_y = 0;
491 static int cached_bluestein_n = -1;
492 
bluestein(int n,N * a)493 static void bluestein(int n, N *a)
494 {
495      int nb = pow2_atleast(2 * n);
496      N *b = (N *)bench_malloc(2 * nb * sizeof(N));
497      N *w = cached_bluestein_w;
498      N *y = cached_bluestein_y;
499      N nbinv;
500      int i;
501 
502      fromreal(1.0 / nb, nbinv); /* exact because nb = 2^k */
503 
504      if (cached_bluestein_n != n) {
505 	  if (w) bench_free(w);
506 	  if (y) bench_free(y);
507 	  w = (N *)bench_malloc(2 * n * sizeof(N));
508 	  y = (N *)bench_malloc(2 * nb * sizeof(N));
509 	  cached_bluestein_n = n;
510 	  cached_bluestein_w = w;
511 	  cached_bluestein_y = y;
512 
513 	  bluestein_sequence(n, w);
514 	  for (i = 0; i < 2*nb; ++i)  cpy(zero, y[i]);
515 
516 	  for (i = 0; i < n; ++i) {
517 	       cpy(w[2*i], y[2*i]);
518 	       cpy(w[2*i+1], y[2*i+1]);
519 	  }
520 	  for (i = 1; i < n; ++i) {
521 	       cpy(w[2*i], y[2*(nb-i)]);
522 	       cpy(w[2*i+1], y[2*(nb-i)+1]);
523 	  }
524 
525 	  fft0(nb, y, -1);
526      }
527 
528      for (i = 0; i < 2*nb; ++i)  cpy(zero, b[i]);
529 
530      for (i = 0; i < n; ++i)
531 	  cmulj(w[2*i], w[2*i+1], a[2*i], a[2*i+1], b[2*i], b[2*i+1]);
532 
533      /* scaled convolution b * y */
534      fft0(nb, b, -1);
535 
536      for (i = 0; i < nb; ++i)
537 	  cmul(b[2*i], b[2*i+1], y[2*i], y[2*i+1], b[2*i], b[2*i+1]);
538      fft0(nb, b, 1);
539 
540      for (i = 0; i < n; ++i) {
541 	  cmulj(w[2*i], w[2*i+1], b[2*i], b[2*i+1], a[2*i], a[2*i+1]);
542 	  mul(nbinv, a[2*i], a[2*i]);
543 	  mul(nbinv, a[2*i+1], a[2*i+1]);
544      }
545 
546      bench_free(b);
547 }
548 
swapri(int n,N * a)549 static void swapri(int n, N *a)
550 {
551      int i;
552      for (i = 0; i < n; ++i) {
553 	  N t;
554 	  cpy(a[2 * i], t);
555 	  cpy(a[2 * i + 1], a[2 * i]);
556 	  cpy(t, a[2 * i + 1]);
557      }
558 }
559 
fft1(int n,N * a,int sign)560 static void fft1(int n, N *a, int sign)
561 {
562      if (power_of_two(n)) {
563 	  fft0(n, a, sign);
564      } else {
565 	  if (sign == 1) swapri(n, a);
566 	  bluestein(n, a);
567 	  if (sign == 1) swapri(n, a);
568      }
569 }
570 
fromrealv(int n,bench_complex * a,N * b)571 static void fromrealv(int n, bench_complex *a, N *b)
572 {
573      int i;
574 
575      for (i = 0; i < n; ++i) {
576 	  fromreal(c_re(a[i]), b[2 * i]);
577 	  fromreal(c_im(a[i]), b[2 * i + 1]);
578      }
579 }
580 
compare(int n,N * a,N * b,double * err)581 static void compare(int n, N *a, N *b, double *err)
582 {
583      int i;
584      double e1, e2, einf;
585      double n1, n2, ninf;
586 
587      e1 = e2 = einf = 0.0;
588      n1 = n2 = ninf = 0.0;
589 
590 #    define DO(x1, x2, xinf, var) { 			\
591      double d = var;					\
592      if (d < 0) d = -d;					\
593      x1 += d; x2 += d * d; if (d > xinf) xinf = d;	\
594 }
595 
596      for (i = 0; i < 2 * n; ++i) {
597 	  N dd;
598 	  sub(a[i], b[i], dd);
599 	  DO(n1, n2, ninf, toreal(a[i]));
600 	  DO(e1, e2, einf, toreal(dd));
601      }
602 
603 #    undef DO
604      err[0] = e1 / n1;
605      err[1] = sqrt(e2 / n2);
606      err[2] = einf / ninf;
607 }
608 
fftaccuracy(int n,bench_complex * a,bench_complex * ffta,int sign,double err[6])609 void fftaccuracy(int n, bench_complex *a, bench_complex *ffta,
610 		 int sign, double err[6])
611 {
612      N *b = (N *)bench_malloc(2 * n * sizeof(N));
613      N *fftb = (N *)bench_malloc(2 * n * sizeof(N));
614      N mn, ninv;
615      int i;
616 
617      fromreal(n, mn); inv(mn, ninv);
618 
619      /* forward error */
620      fromrealv(n, a, b); fromrealv(n, ffta, fftb);
621      fft1(n, b, sign);
622      compare(n, b, fftb, err);
623 
624      /* backward error */
625      fromrealv(n, a, b); fromrealv(n, ffta, fftb);
626      for (i = 0; i < 2 * n; ++i) mul(fftb[i], ninv, fftb[i]);
627      fft1(n, fftb, -sign);
628      compare(n, b, fftb, err + 3);
629 
630      bench_free(fftb);
631      bench_free(b);
632 }
633 
fftaccuracy_done(void)634 void fftaccuracy_done(void)
635 {
636      if (cached_bluestein_w) bench_free(cached_bluestein_w);
637      if (cached_bluestein_y) bench_free(cached_bluestein_y);
638      cached_bluestein_w = 0;
639      cached_bluestein_y = 0;
640      cached_bluestein_n = -1;
641 }
642