int reference(float *in, float *out, int data_size_X, int data_size_Y,
              float *kernel) {
  int kern_cent_X = (3 - 1) / 2;
  int kern_cent_Y = (3 - 1) / 2;
  for (int x = 0; x < data_size_X; x++) {
    for (int y = 0; y < data_size_Y; y++) {
      for (int i = -kern_cent_X; i <= kern_cent_X; i++) {
        for (int j = -kern_cent_Y; j <= kern_cent_Y; j++) {
          if (x + i > -1 && x + i < data_size_X && y + j > -1 &&
              y + j < data_size_Y) {
            out[x + y * data_size_X] +=
                kernel[(kern_cent_X - i) + (kern_cent_Y - j) * 3] *
                in[(x + i) + (y + j) * data_size_X];
          }
        }
      }
    }
  }
  return 1;
}


x86 assembly (clang, -O0):
<reference>:
push   %rbp
mov    %rsp,%rbp
mov    %rdi,-0x8(%rbp)
mov    %rsi,-0x10(%rbp)
mov    %edx,-0x14(%rbp)
mov    %ecx,-0x18(%rbp)
mov    %r8,-0x20(%rbp)
movl   $0x1,-0x24(%rbp)
movl   $0x1,-0x28(%rbp)
movl   $0x0,-0x2c(%rbp)
mov    -0x2c(%rbp),%eax
cmp    -0x14(%rbp),%eax
jge    125a <reference+0x15a>
movl   $0x0,-0x30(%rbp)
mov    -0x30(%rbp),%eax
cmp    -0x18(%rbp),%eax
jge    1247 <reference+0x147>
xor    %eax,%eax
sub    -0x24(%rbp),%eax
mov    %eax,-0x34(%rbp)
mov    -0x34(%rbp),%eax
cmp    -0x24(%rbp),%eax
jg     1234 <reference+0x134>
xor    %eax,%eax
sub    -0x28(%rbp),%eax
mov    %eax,-0x38(%rbp)
mov    -0x38(%rbp),%eax
cmp    -0x28(%rbp),%eax
jg     1221 <reference+0x121>
mov    -0x2c(%rbp),%eax
add    -0x34(%rbp),%eax
cmp    $0xffffffff,%eax
jle    120e <reference+0x10e>
mov    -0x2c(%rbp),%eax
add    -0x34(%rbp),%eax
cmp    -0x14(%rbp),%eax
jge    120e <reference+0x10e>
mov    -0x30(%rbp),%eax
add    -0x38(%rbp),%eax
cmp    $0xffffffff,%eax
jle    120e <reference+0x10e>
mov    -0x30(%rbp),%eax
add    -0x38(%rbp),%eax
cmp    -0x18(%rbp),%eax
jge    120e <reference+0x10e>
mov    -0x20(%rbp),%rax
mov    -0x24(%rbp),%ecx
sub    -0x34(%rbp),%ecx
mov    -0x28(%rbp),%edx
sub    -0x38(%rbp),%edx
imul   $0x3,%edx,%edx
add    %edx,%ecx
movslq %ecx,%rcx
movss  (%rax,%rcx,4),%xmm0
mov    -0x8(%rbp),%rax
mov    -0x2c(%rbp),%ecx
add    -0x34(%rbp),%ecx
mov    -0x30(%rbp),%edx
add    -0x38(%rbp),%edx
imul   -0x14(%rbp),%edx
add    %edx,%ecx
movslq %ecx,%rcx
movss  (%rax,%rcx,4),%xmm2
mov    -0x10(%rbp),%rax
mov    -0x2c(%rbp),%ecx
mov    -0x30(%rbp),%edx
imul   -0x14(%rbp),%edx
add    %edx,%ecx
movslq %ecx,%rcx
movss  (%rax,%rcx,4),%xmm1
mulss  %xmm2,%xmm0
addss  %xmm1,%xmm0
movss  %xmm0,(%rax,%rcx,4)
jmp    1213 <reference+0x113>
mov    -0x38(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x38(%rbp)
jmp    1166 <reference+0x66>
jmp    1226 <reference+0x126>
mov    -0x34(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x34(%rbp)
jmp    1152 <reference+0x52>
jmp    1239 <reference+0x139>
mov    -0x30(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x30(%rbp)
jmp    113e <reference+0x3e>
jmp    124c <reference+0x14c>
mov    -0x2c(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x2c(%rbp)
jmp    112b <reference+0x2b>
mov    $0x1,%eax
pop    %rbp
ret

x86 assembly (clang, -O2):
<reference>:
push   %rbp
push   %r15
push   %r14
push   %r13
push   %r12
push   %rbx
test   %edx,%edx
jle    12b0 <reference+0x1b0>
mov    %edx,%r12d
movslq %ecx,%r10
mov    %r10d,%r9d
xor    %r15d,%r15d
jmp    112c <reference+0x2c>
mov    %r11,%r15
cmp    %r12,%r11
je     12b0 <reference+0x1b0>
test   %ecx,%ecx
jle    12a0 <reference+0x1a0>
lea    -0x1(%r15),%r14
lea    0x1(%r15),%r11
xor    %eax,%eax
jmp    114b <reference+0x4b>
mov    %rax,%rbx
mov    %rbx,%rax
cmp    %r9,%rbx
je     1120 <reference+0x20>
mov    %rax,%r13
imul   %r12,%r13
lea    (%r15,%r13,1),%rdx
test   %r15,%r15
jle    11be <reference+0xbe>
test   %rax,%rax
jle    1180 <reference+0x80>
lea    -0x1(%rax),%rbx
movss  0x20(%r8),%xmm0
imul   %r12,%rbx
add    %r14,%rbx
mulss  (%rdi,%rbx,4),%xmm0
addss  (%rsi,%rdx,4),%xmm0
movss  %xmm0,(%rsi,%rdx,4)
movss  0x14(%r8),%xmm0
lea    (%r14,%r13,1),%rbx
mulss  (%rdi,%rbx,4),%xmm0
addss  (%rsi,%rdx,4),%xmm0
movss  %xmm0,(%rsi,%rdx,4)
lea    0x1(%rax),%rbx
cmp    %r10,%rbx
jge    11be <reference+0xbe>
movss  0x8(%r8),%xmm0
imul   %r12,%rbx
add    %r14,%rbx
mulss  (%rdi,%rbx,4),%xmm0
addss  (%rsi,%rdx,4),%xmm0
movss  %xmm0,(%rsi,%rdx,4)
test   %rax,%rax
jle    11e3 <reference+0xe3>
lea    -0x1(%rax),%rbx
movss  0x1c(%r8),%xmm0
imul   %r12,%rbx
add    %r15,%rbx
mulss  (%rdi,%rbx,4),%xmm0
addss  (%rsi,%rdx,4),%xmm0
movss  %xmm0,(%rsi,%rdx,4)
movss  0x10(%r8),%xmm0
mulss  (%rdi,%rdx,4),%xmm0
addss  (%rsi,%rdx,4),%xmm0
movss  %xmm0,(%rsi,%rdx,4)
lea    0x1(%rax),%rbx
cmp    %r10,%rbx
jge    1220 <reference+0x120>
movss  0x4(%r8),%xmm0
mov    %rbx,%rbp
imul   %r12,%rbp
add    %r15,%rbp
mulss  (%rdi,%rbp,4),%xmm0
addss  (%rsi,%rdx,4),%xmm0
movss  %xmm0,(%rsi,%rdx,4)
cmp    %r12,%r11
jge    1143 <reference+0x43>
test   %rax,%rax
jle    124e <reference+0x14e>
lea    -0x1(%rax),%rbx
movss  0x18(%r8),%xmm0
imul   %r12,%rbx
add    %r11,%rbx
mulss  (%rdi,%rbx,4),%xmm0
addss  (%rsi,%rdx,4),%xmm0
movss  %xmm0,(%rsi,%rdx,4)
movss  0xc(%r8),%xmm0
add    %r11,%r13
mulss  (%rdi,%r13,4),%xmm0
addss  (%rsi,%rdx,4),%xmm0
movss  %xmm0,(%rsi,%rdx,4)
add    $0x1,%rax
cmp    %r10,%rax
jge    1140 <reference+0x40>
movss  (%r8),%xmm0
mov    %rax,%rbx
imul   %r12,%rbx
add    %r11,%rbx
mulss  (%rdi,%rbx,4),%xmm0
addss  (%rsi,%rdx,4),%xmm0
movss  %xmm0,(%rsi,%rdx,4)
jmp    1140 <reference+0x40>
nopw   0x0(%rax,%rax,1)
add    $0x1,%r15
mov    %r15,%r11
cmp    %r12,%r11
jne    112c <reference+0x2c>
mov    $0x1,%eax
pop    %rbx
pop    %r12
pop    %r13
pop    %r14
pop    %r15
pop    %rbp
ret

LLVM IR (-O0):
define i32 @reference(float* %0, float* %1, i32 %2, i32 %3, float* %4) {
%6 = alloca float*
%7 = alloca float*
%8 = alloca i32
%9 = alloca i32
%10 = alloca float*
%11 = alloca i32
%12 = alloca i32
%13 = alloca i32
%14 = alloca i32
%15 = alloca i32
%16 = alloca i32
store float* %0, float** %6
store float* %1, float** %7
store i32 %2, i32* %8
store i32 %3, i32* %9
store float* %4, float** %10
store i32 1, i32* %11
store i32 1, i32* %12
store i32 0, i32* %13
br label %17
17: ; preds = %111, %5
%18 = load i32, i32* %13
%19 = load i32, i32* %8
%20 = icmp slt i32 %18, %19
br i1 %20, label %21, label %114
21: ; preds = %17
store i32 0, i32* %14
br label %22
22: ; preds = %107, %21
%23 = load i32, i32* %14
%24 = load i32, i32* %9
%25 = icmp slt i32 %23, %24
br i1 %25, label %26, label %110
26: ; preds = %22
%27 = load i32, i32* %11
%28 = sub nsw i32 0, %27
store i32 %28, i32* %15
br label %29
29: ; preds = %103, %26
%30 = load i32, i32* %15
%31 = load i32, i32* %11
%32 = icmp sle i32 %30, %31
br i1 %32, label %33, label %106
33: ; preds = %29
%34 = load i32, i32* %12
%35 = sub nsw i32 0, %34
store i32 %35, i32* %16
br label %36
36: ; preds = %99, %33
%37 = load i32, i32* %16
%38 = load i32, i32* %12
%39 = icmp sle i32 %37, %38
br i1 %39, label %40, label %102
40: ; preds = %36
%41 = load i32, i32* %13
%42 = load i32, i32* %15
%43 = add nsw i32 %41, %42
%44 = icmp sgt i32 %43, -1
br i1 %44, label %45, label %98
45: ; preds = %40
%46 = load i32, i32* %13
%47 = load i32, i32* %15
%48 = add nsw i32 %46, %47
%49 = load i32, i32* %8
%50 = icmp slt i32 %48, %49
br i1 %50, label %51, label %98
51: ; preds = %45
%52 = load i32, i32* %14
%53 = load i32, i32* %16
%54 = add nsw i32 %52, %53
%55 = icmp sgt i32 %54, -1
br i1 %55, label %56, label %98
56: ; preds = %51
%57 = load i32, i32* %14
%58 = load i32, i32* %16
%59 = add nsw i32 %57, %58
%60 = load i32, i32* %9
%61 = icmp slt i32 %59, %60
br i1 %61, label %62, label %98
62: ; preds = %56
%63 = load float*, float** %10
%64 = load i32, i32* %11
%65 = load i32, i32* %15
%66 = sub nsw i32 %64, %65
%67 = load i32, i32* %12
%68 = load i32, i32* %16
%69 = sub nsw i32 %67, %68
%70 = mul nsw i32 %69, 3
%71 = add nsw i32 %66, %70
%72 = sext i32 %71 to i64
%73 = getelementptr inbounds float, float* %63, i64 %72
%74 = load float, float* %73
%75 = load float*, float** %6
%76 = load i32, i32* %13
%77 = load i32, i32* %15
%78 = add nsw i32 %76, %77
%79 = load i32, i32* %14
%80 = load i32, i32* %16
%81 = add nsw i32 %79, %80
%82 = load i32, i32* %8
%83 = mul nsw i32 %81, %82
%84 = add nsw i32 %78, %83
%85 = sext i32 %84 to i64
%86 = getelementptr inbounds float, float* %75, i64 %85
%87 = load float, float* %86
%88 = load float*, float** %7
%89 = load i32, i32* %13
%90 = load i32, i32* %14
%91 = load i32, i32* %8
%92 = mul nsw i32 %90, %91
%93 = add nsw i32 %89, %92
%94 = sext i32 %93 to i64
%95 = getelementptr inbounds float, float* %88, i64 %94
%96 = load float, float* %95
%97 = call float @llvm.fmuladd.f32(float %74, float %87, float %96)
store float %97, float* %95
br label %98
98: ; preds = %62, %56, %51, %45, %40
br label %99
99: ; preds = %98
%100 = load i32, i32* %16
%101 = add nsw i32 %100, 1
store i32 %101, i32* %16
br label %36
102: ; preds = %36
br label %103
103: ; preds = %102
%104 = load i32, i32* %15
%105 = add nsw i32 %104, 1
store i32 %105, i32* %15
br label %29
106: ; preds = %29
br label %107
107: ; preds = %106
%108 = load i32, i32* %14
%109 = add nsw i32 %108, 1
store i32 %109, i32* %14
br label %22
110: ; preds = %22
br label %111
111: ; preds = %110
%112 = load i32, i32* %13
%113 = add nsw i32 %112, 1
store i32 %113, i32* %13
br label %17
114: ; preds = %17
ret i32 1
}

LLVM IR (-O2):
define i32 @reference(float* nocapture %0, float* nocapture %1, i32 %2, i32 %3, float* nocapture %4) {
%6 = icmp sgt i32 %2, 0
br i1 %6, label %7, label %30
7: ; preds = %5
%8 = icmp sgt i32 %3, 0
%9 = zext i32 %2 to i64
%10 = sext i32 %3 to i64
%11 = zext i32 %2 to i64
%12 = zext i32 %3 to i64
%13 = getelementptr inbounds float, float* %4, i64 8
%14 = getelementptr inbounds float, float* %4, i64 5
%15 = getelementptr inbounds float, float* %4, i64 2
%16 = getelementptr inbounds float, float* %4, i64 7
%17 = getelementptr inbounds float, float* %4, i64 4
%18 = getelementptr inbounds float, float* %4, i64 1
%19 = getelementptr inbounds float, float* %4, i64 6
%20 = getelementptr inbounds float, float* %4, i64 3
br label %21
21: ; preds = %7, %36
%22 = phi i64 [ 0, %7 ], [ %37, %36 ]
br i1 %8, label %25, label %23
23: ; preds = %21
%24 = add nuw nsw i64 %22, 1
br label %36
25: ; preds = %21
%26 = add nsw i64 %22, -1
%27 = icmp sgt i64 %22, 0
%28 = add nuw nsw i64 %22, 1
%29 = icmp slt i64 %28, %9
br label %31
30: ; preds = %36, %5
ret i32 1
31: ; preds = %25, %125
%32 = phi i64 [ 0, %25 ], [ %126, %125 ]
%33 = mul nsw i64 %32, %9
%34 = add nsw i64 %33, %22
%35 = getelementptr inbounds float, float* %1, i64 %34
br i1 %27, label %39, label %67
36: ; preds = %125, %23
%37 = phi i64 [ %24, %23 ], [ %28, %125 ]
%38 = icmp eq i64 %37, %11
br i1 %38, label %30, label %21
39: ; preds = %31
%40 = icmp sgt i64 %32, 0
br i1 %40, label %41, label %50
41: ; preds = %39
%42 = add nsw i64 %32, -1
%43 = load float, float* %13
%44 = mul nsw i64 %42, %9
%45 = add nsw i64 %44, %26
%46 = getelementptr inbounds float, float* %0, i64 %45
%47 = load float, float* %46
%48 = load float, float* %35
%49 = tail call float @llvm.fmuladd.f32(float %43, float %47, float %48)
store float %49, float* %35
br label %50
50: ; preds = %39, %41
%51 = load float, float* %14
%52 = add nsw i64 %33, %26
%53 = getelementptr inbounds float, float* %0, i64 %52
%54 = load float, float* %53
%55 = load float, float* %35
%56 = tail call float @llvm.fmuladd.f32(float %51, float %54, float %55)
store float %56, float* %35
%57 = add nuw nsw i64 %32, 1
%58 = icmp slt i64 %57, %10
br i1 %58, label %59, label %67
59: ; preds = %50
%60 = load float, float* %15
%61 = mul nsw i64 %57, %9
%62 = add nsw i64 %61, %26
%63 = getelementptr inbounds float, float* %0, i64 %62
%64 = load float, float* %63
%65 = load float, float* %35
%66 = tail call float @llvm.fmuladd.f32(float %60, float %64, float %65)
store float %66, float* %35
br label %67
67: ; preds = %50, %59, %31
%68 = icmp sgt i64 %32, 0
br i1 %68, label %69, label %78
69: ; preds = %67
%70 = add nsw i64 %32, -1
%71 = load float, float* %16
%72 = mul nsw i64 %70, %9
%73 = add nsw i64 %72, %22
%74 = getelementptr inbounds float, float* %0, i64 %73
%75 = load float, float* %74
%76 = load float, float* %35
%77 = tail call float @llvm.fmuladd.f32(float %71, float %75, float %76)
store float %77, float* %35
br label %78
78: ; preds = %69, %67
%79 = load float, float* %17
%80 = getelementptr inbounds float, float* %0, i64 %34
%81 = load float, float* %80
%82 = load float, float* %35
%83 = tail call float @llvm.fmuladd.f32(float %79, float %81, float %82)
store float %83, float* %35
%84 = add nuw nsw i64 %32, 1
%85 = icmp slt i64 %84, %10
br i1 %85, label %86, label %94
86: ; preds = %78
%87 = load float, float* %18
%88 = mul nsw i64 %84, %9
%89 = add nsw i64 %88, %22
%90 = getelementptr inbounds float, float* %0, i64 %89
%91 = load float, float* %90
%92 = load float, float* %35
%93 = tail call float @llvm.fmuladd.f32(float %87, float %91, float %92)
store float %93, float* %35
br label %94
94: ; preds = %86, %78
br i1 %29, label %95, label %106
95: ; preds = %94
%96 = icmp sgt i64 %32, 0
br i1 %96, label %97, label %108
97: ; preds = %95
%98 = add nsw i64 %32, -1
%99 = load float, float* %19
%100 = mul nsw i64 %98, %9
%101 = add nsw i64 %100, %28
%102 = getelementptr inbounds float, float* %0, i64 %101
%103 = load float, float* %102
%104 = load float, float* %35
%105 = tail call float @llvm.fmuladd.f32(float %99, float %103, float %104)
store float %105, float* %35
br label %108
106: ; preds = %94
%107 = add nuw nsw i64 %32, 1
br label %125
108: ; preds = %97, %95
%109 = load float, float* %20
%110 = add nsw i64 %33, %28
%111 = getelementptr inbounds float, float* %0, i64 %110
%112 = load float, float* %111
%113 = load float, float* %35
%114 = tail call float @llvm.fmuladd.f32(float %109, float %112, float %113)
store float %114, float* %35
%115 = add nuw nsw i64 %32, 1
%116 = icmp slt i64 %115, %10
br i1 %116, label %117, label %125
117: ; preds = %108
%118 = load float, float* %4
%119 = mul nsw i64 %115, %9
%120 = add nsw i64 %119, %28
%121 = getelementptr inbounds float, float* %0, i64 %120
%122 = load float, float* %121
%123 = load float, float* %35
%124 = tail call float @llvm.fmuladd.f32(float %118, float %122, float %123)
store float %124, float* %35
br label %125
125: ; preds = %106, %117, %108
%126 = phi i64 [ %107, %106 ], [ %115, %117 ], [ %115, %108 ]
%127 = icmp eq i64 %126, %12
br i1 %127, label %36, label %31
}