`
java-mans
  • 浏览: 11340108 次
文章分类
社区版块
存档分类
最新评论

【整理】SIMD、MMX、SSE、AVX、3D Now!、neon

 
阅读更多

SIMD

SIMD单指令流多数据流(SingleInstruction Multiple Data,SIMD)是一种采用一个控制器来控制多个处理器,同时对一组数据(又称“数据向量”)中的每一个分别执行相同的操作从而实现空间上的并行性的技术。在微处理器中,单指令流多数据流技术则是一个控制器控制多个平行的处理微元,例如Intel的MMX或SSE以及AMD的3D Now!技术。

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

MMX是由英特尔开发的一种SIMD多媒体指令集,共有57条指令。它于1996年集成在英特尔奔腾 (Pentium) MMX处理器上,以提高其多媒体数据的处理能力。

其优点是增加了处理器关于多媒体方面的处理能力,缺点是占用浮点数寄存器进行运算(64位MMX寄存器实际上就是浮点数寄存器的别名)以至于MMX指令和浮点数操作不能同时工作。为了减少在MMX和浮点数模式切换之间所消耗的时间,程序员们尽可能减少模式切换的次数,也就是说,这两种操作在应用上是互斥的。后来英特尔在此基础上发展出SSE指令集;AMD在此基础上发展出3DNow!指令集。现在新开发的程序不再仅使用MMX来优化软件执行效能,而是改使用如SSE、3DNOW!等更容易优化效能的新一代多媒体指令集,不过目前的处理器仍可以执行针对MMX优化的较早期软件。

技术细节

MMX 寄存器,称作MM0到MM7,实际上就是处理器内部80比特字长的浮点寄存器栈st(0)到st(7)的尾数部分(64比特长)的复用。由于 浮点栈寄存器的高16位未被MMX技术使用,因此这16位都置为1,因此从栈寄存器的角度看,其浮点值为NaN或Infinities,这可用于区分寄存 器是处于浮点栈状态还是MMX状态. 作为MMX寄存器都是直接访问。利用了装配数据类型(packed data type)的概念,每个MMX寄存器的64比特字长可以看作是2个32位整数、或者4个16位整数、或者8个8位整数,从而可以执行整数SIMD运算。这 对于1990年代中期的2D、3D计算的加速还是很有意义的,因为当时的计算机的图形处理器(GPU)还很不发达。但现在MMX整数SIMD运算对于图形运算来说是多余的技术了。不过MMX的饱和算术运算(saturationarithmeticoperations)对于一些数字信号处理应用还是有用的。

SIMD技术的发展

继 MMX技术之后,Intel又于1999年在Pentium-III处理器上推出SSE技术,引入了新的128比特宽的寄存器集 (register file),称作XMM0到XMM7。这些XMM寄存器用于4个单精度浮点数运算的SIMD执行,并可以与MMX整数运算或x87浮点运算混合执行。 2001年在Pentium 4上引入了SSE2技术,进一步扩展了指令集,使得XMM寄存器上可以执行8/16/32位宽的整数SIMD运算或双精度浮点数的SIMD运算。这使得 SIMD技术基本完善。

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

SSE

SSE(Streaming SIMD Extensions)是英特尔在AMD的3DNow!发布一年之后,在其计算机芯片Pentium III中引入的指令集,是继MMX的扩充指令集。SSE 指令集提供了 70 条新指令。AMD后来在Athlon XP中加入了对这个新指令集的支持。

目录

[隐藏]

  • 1 SSE 的缓存器
  • 2 SSE 指令表
    • 2.1 浮点指令
    • 2.2 整数指令
    • 2.3 其他指令
  • 3 后续版本
    • 3.1 SSE2
    • 3.2 SSE3
    • 3.3 SSSE3
    • 3.4 SSE4
    • 3.5 SSE5
    • 3.6 AVX
    • 3.7 FMA
  • 4 参见

SSE的缓存器

SSE 加入新的 8 个 128 位缓存器(XMM0~XMM7)。而 AMD 发表的x86-64延伸架构《又称 AMD64》再加入额外 8 个缓存器。除此之外还有一个新的 32 位的控制/状态缓存器(MXCSR)。不过只能在 64 位的模式下才能使用额外 8 个缓存器。

每 个缓存器可以容纳 4 个 32 位单精度浮点数,或是2 个 64 位双精度浮点数,或是 4 个 32 位整数,或是 8 个 16 位短整数,或是 16 个字符。整数运算能够使用正负号运算。而整数 SIMD 运算可能仍然要与 8 个 64 位 MMX 缓存器一起执行。

因为操作系统必须要在进程切换的时候保护这些 128 位的缓存器状态,除非操作系统去启动这些缓存器,否则默认值是不会去启用的。这表示操作系统必须要知道如何使用 FXSAVE 与 FXRSTOR 指令才能储存 x87 与 SSE 缓存器的状态。而在当时 IA-32 的主流操作系统很快的都加入了此功能。

由于 SSE 加入了浮点支持,SSE 就比MMX 更加常用。而 SSE2 加入了整数运算支持之后让SSE 更加的有弹性,当 MMX 变成是多余的指令集,SSE 指令集甚至可以与 MMX 并行运作,在某些时候可以提供额外的性能增进。

第一个支持 SSE 的 CPU 是 Pentium III,在FPU 与SSE 之间共享执行支持。当编译出来的软件能够交叉的同时以 FPU 与 SSE 运作,Pentium III 并无法在同一个周期中同时执行 FPU 与 SSE。这个限制降低了指令管线的有效性,不过 XMM 缓存器能够让 SIMD 与纯量浮点运算混合执行,而不会因为切换 MMX/浮点模式而产生性能的折损。

SSE指令表

SSE 提供纯量与包裹式(packed)浮点指令。

浮点指令

  • 内存到缓存器/缓存器到内存/缓存器之间的数据搬移
    • 纯量 – MOVSS
    • 包裹式 – MOVAPS, MOVUPS, MOVLPS, MOVHPS, MOVLHPS, MOVHLPS
  • 数学运算
    • 纯量 – ADDSS, SUBSS, MULSS, DIVSS, RCPSS, SQRTSS, MAXSS, MINSS, RSQRTSS
    • 包裹式 – ADDPS, SUBPS, MULPS, DIVPS, RCPPS, SQRTPS, MAXPS, MINPS, RSQRTPS
  • 比较
    • 纯量 – CMPSS, COMISS, UCOMISS
    • 包裹式 – CMPPS
  • 资料拆包(unpack)与随机搬移(shuffle)
    • 包裹式 – SHUFPS, UNPCKHPS, UNPCKLPS
  • 数据型态转换
    • 纯量 – CVTSI2SS, CVTSS2SI, CVTTSS2SI
    • 包裹式 – CVTPI2PS, CVTPS2PI, CVTTPS2PI
  • 逐位逻辑运算
    • 包裹式 – ANDPS, ORPS, XORPS, ANDNPS

整数指令

  • 数学运算
    • PMULHUW, PSADBW, PAVGB, PAVGW, PMAXUB, PMINUB, PMAXSW, PMINSW
  • 数据搬移
    • PEXTRW, PINSRW
  • 其他
    • PMOVMSKB, PSHUFW

其他指令

  • MXCSR 管理
    • LDMXCSR, STMXCSR
  • 快取与内存管理
    • MOVNTQ, MOVNTPS, MASKMOVQ, PREFETCH0, PREFETCH1, PREFETCH2, PREFETCHNTA, SFENCE

后续版本

SSE2

SSE2是 Intel在Pentium 4处理器的最初版本中引入的,但是AMD后来在Opteron 和Athlon64处理器中也加入了SSE2的支持。SSE2指令集添加了对64位双精度浮点数的支持,以及对整型数据的支持,也就是说这个指令集中所有的MMX指令都是多余的了,同时也避免了占用浮点数寄存器。这个指令集还增加了对CPU快取的控制指令。AMD对它的扩展增加了8个XMM寄存器,但是需要切换到64位 模式(x86-64/AMD64)才可以使用这些寄存器。Intel后来在其Intel 64架构中也增加了对x86-64的支持。

SSE3

SSE3是 Intel在Pentium 4处理器的 Prescott 核心中引入的第三代SIMD指令集,AMD在Athlon64的第五个版本,Venice核心中也加入了SSE3的支持。这个指令集扩展的指令包含寄存器的局部位之间的运算,例如高位和低位之间的加减运算;浮点数到整数的转换,以及对超线程技术的支持。

SSSE3

SSSE3是Intel针对SSE3指令集的一次额外扩充,最早内建于Core2 Duo处理器中。

SSE4

SSE4是Intel在Penryn核心的Core 2 Duo与Core2 Solo处理器时,新增的47条新多媒体指令集,并且现在更新至SSE4.2。AMD也开发了属于自己的SSE4a多媒体指令集,并内建在Phenom与Opteron等K10架构处理器中,不过无法与Intel的SSE4系列指令集兼容。

SSE5

SSE5是AMD为了打破Intel垄断在处理器指令集的独霸地位所提出的,SSE5初期规划将加入超过100条新指令,其中最引人注目的就是三操作数指令(3-OperandInstructions)及熔合乘法累积(Fused Multiply Accumulate)。其中,三操作数指令让处理器可将一个数学或逻辑函式库,套用到操作数或输入数据。藉由增加操作数的数量,一个 x86 指令能处理二至三笔数据, SSE5 允许将多个简单指令汇整成一个指令,达到更有效率的指令处理模式。提升为三运算指令的运算能力,是少数RISC架构 的水平。熔合乘法累积让允许建立新的指令,有效率地执行各种复杂的运算。熔合乘法累积可结合乘法与加法运算,透过单一指令执行多笔重复计算。透过简化程序码,让系统能迅速执行绘图着色、快速相片着色、音场音效,以及复杂向量演算等效能密集的应用作业。目前AMD已放弃下一代Bulldozer核心内建SSE5指令集,改内建Intel授权SSE4系列指令集。

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

AVX

  是Sandy Bridge和Larrabee架构新指令集  Intel的微架构也进入了全速发展的时期,在2010年4月结束的IDF峰会上Intel公司就发布了2010年的RoadMap。2011年1月Intel发布全新的处理器微架构Sandy Bridge,其中全新增加的指令集也将带来CPU性能的提升。

AVX(Advanced Vector Extensions) 是Intel的SSE延伸架构,如IA16至IA32般的把缓存器XMM 128bit提升至YMM 256bit,以增加一倍的运算效率。此架构支持了三运算指令(3-Operand Instructions),减少在编码上需要先复制才能运算的动作。在微码部分使用了LES LDS这两少用的指令作为延伸指令Prefix。

FMA

  • FMA是Intel的AVX扩充指令集,如名称上熔合乘法累积(Fused Multiply Accumulate)的意思一样。

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3DNow!

3DNow!(据称是“3D No Waiting!”的缩写)是由AMD开发的一套SIMD多媒体指令集,支持单精度浮点数的矢量运算,用于增强x86架构的计算机在三维图像处理上的性能。

目录

[隐藏]

  • 1 历史
  • 2 支持检测
  • 3 执行环境
  • 4 3DNow!指令集
    • 4.1 单精度浮点运算指令
    • 4.2 增强的MMX指令
    • 4.3 数据类型转换指令
    • 4.4 数据预取指令
    • 4.5 快速退出MMX状态指令
  • 5 外部链接

历史

1996年Intel首先推出了支持MMX的Pentium处理器,极大地提高了CPU处理多媒体数据的能力,被广泛地应用于语音合成、语音识别、音频视频编解码、图像处理和串流媒体等领域。但是MMX只支持整数运算,浮点数运算仍然要使用传统的x87协处理器指令。由于MMX与x87的寄存器相互重叠,在MMX代码中插入x87指令时必须先执行EMMS指令清除MMX状态,频繁地切换状态将严重影响性能。这限制了MMX指令在需要大量浮点运算的程序,如三维几何变换、裁剪和投影中的应用。

另一方面,由于x87古怪的堆栈式缓存器结构,使得硬件上将其流水线化和软件上合理调度指令都很困难,这成为提高x86架构浮点性能的一个瓶颈。

为了解决以上这两个问题,AMD公司于1998年推出了包含21条指令的3DNow!指令集,并在其K6-2处理器中实现。K6-2是 第一个能执行浮点SIMD指令的x86处理器,也是第一个支持水平浮点寄存器模型的x86处理器。借助3DNow!,K6-2实现了x86处理器上最快的浮点单元,在每个时钟周期内最多可得到4个单精度浮点数结果,是传统x87协处理器的4倍。许多游戏厂商为3DNow!优化了程序,微软的DirectX 7也为3DNow!做了优化,AMD处理器的游戏性能第一次超过Intel,这大大提升了AMD在消费者心目中的地位。K6-2和随后的K6-III成为市场上的热门货。

1999年,随着Athlon处理器的推出,AMD为3DNow!增加了5条新的指令,用于增强其在DSP方面的性能,它们被称为“扩展3DNow!”(Extended 3DNow!)。

为了对抗3DNow!,Intel公司于1999年推出了SSE指令集。SSE几乎能提供3DNow!的所有功能,而且能在一条指令中处理两倍多的单精度浮点数;同时,SSE完全支持IEEE 754,在处理单精度浮点数时可以完全代替x87。这迅速瓦解了3DNow!的优势。

1999年后,随着主流操作系统和软件都开始支持SSE并为SSE优化,AMD在其2000年发布的代号为“Thunderbird”的Athlon处理器中添加了对SSE的完全支持(“经典”的Athlon或K7只支持SSE中与MMX有关的部分,AMD称之为“扩展MMX”即Extended MMX)。随后,AMD致力于AMD64架构的开发;在SIMD指令集方面,AMD跟随Intel,为自己的处理器添加SSE2和SSE3支持,而不再改进3DNow!。

2010年八月,AMD宣布将在新一代处理器中取消除了两条数据预取指令之外3DNow!指令的支持,并鼓励开发者将3DNow!代码重新用SSE实现。

支持检测

支持3DNow!的CPU的CPUID扩展功能字(EAX=80000001h时执行CPUID指令得到的EDX的内容)的(从低位到高位)第31位为1。支持扩展3DNow!的CPU的CPUID扩展功能字的(从低位到高位)第30位为1。

K6-2以后AMD所有的x86处理器都支持3DNow!,包括最新的Athlon 64、Opteron和Sempron处理器;Cyrix等一些其他厂家生产的某些处理器也支持3DNow!;但Intel生产的所有处理器都不支持3DNow!。

执行环境

3DNow!指令的执行环境与MMX一样,都是将8个x87寄存器ST0~ST7的低64位重命名为MMX寄存器MM0~MM7,并依平坦模式进行操作(即指令可以任意访问这8个寄存器中的任何一个而不必使用堆栈)。

由于3DNow!使用的寄存器与x87寄存器重叠,任务切换时,保存x87寄存器状态的同时也保存了3DNow!的状态,所以3DNow!不需要操作系统的额外支持。只要CPU支持3DNow!,含有3DNow!代码的程序可以在只考虑到x87状态的原有的操作系统上不加修改地运行。

由于3DNow!依平坦模式访问寄存器,对3DNow!浮点单元的管线化变得容易,这也利于编译器生成高效的浮点代码。

3DNow!指令集

3DNow!和扩展3DNow!的26条指令从功能上可以分为以下五类。

单精度浮点运算指令

此类指令的操作数均为64位,其高32位和低32位分别是IEEE754格式的单精度浮点数。大部分指令一次可接受两个这样的操作数,并得到两个单精度浮点数的结果。它们的汇编语言助记符都以PF开头。

3DNow!还包含有计算单精度倒数和开方倒数的指令,并可以依程序需要,得到12位精度和24位精度的结果。这些指令一次只能处理一个单精度浮点数。

3DNow!的一个特色是可以将同一寄存器内的64位操作数中的两个单精度浮点数相加或相乘,这在复数运算和内积运算中非常有用。Intel直到最近才在SSE3指令集中增加了这项功能,称之为“水平操作”。

为了保证与旧有操作系统的兼容性,与MMX指令一样,3DNow!指令不引发任何算术异常。3DNow!指令不会生成也不能正确处理NaN和非规格化数,也不支持指定舍入模式。因此3DNow!并不是IEEE 754的一个完整实现,即使是只涉及单精度浮点数时也不能完全代替x87。

增强的MMX指令

PAVGUSB用于求64位紧缩字节(8×8位字节)的平均值,可用于视频编码中的像素平均和图像缩放等。可能是意识到这个功能的重要性,Intel在SSE中添加了功能完全相同的PAVGB指令。

PMULHRW则用来补充MMX指令PMULHW的不足,在紧缩字(4×16位字)相乘时可以得到比后者更准确的结果。Intel直到最近才在SSSE3中增加了功能相似的指令PMULHRSW

PSWAPD指令用于交换紧缩双字(2×32位字)中两个双字数据的位置。

数据类型转换指令

PF2IDPI2FD等4条指令用于完成整数和单精度浮点数之间的相互转换。

数据预取指令

PREFETCH/PREFETCHW指令用于把将要使用到的数据从主存储器提前加载快取中,以减少访问主存储器的指令执行时的延迟。Intel在SSE中添加了类似的PREFETCHTx指令

快速退出MMX状态指令

FEMMS指令与MMX中的EMMS功能相同,用于退出MMX状态。在K6-2和K6-III处理器中,FEMMSEMMS更快;在Athlon及更新的处理器中,FEMMS等同于EMMS

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Neon



ARM® NEON™通用SIMD 引擎可有效处理当前和将来的多媒体格式,从而改善用户体验。

NEON 技术可加速多媒体和信号处理算法(如视频编码/解码、2D/3D 图形、游戏、音频和语音处理、图像处理技术、电话和声音合成),其性能至少为 ARMv5 性能的 3 倍,为ARMv6 SIMD 性能的 2 倍。

NEON 技术是通过干净方式构建的,并可无缝用于其本身的独立管道和寄存器文件。

NEON技术是 ARM Cortex™-A 系列处理器的 128 位 SIMD(单指令多数据)体系结构扩展,旨在为消费性多媒体应用提供灵活强大的加速功能,从而明显改善用户体验。它具有 32 个寄存器,64 位宽(是 16 个寄存器,128 位宽的双倍视图。)

NEON 指令可执行“打包的 SIMD”处理:

  • 寄存器被视为同一数据类型元素矢量
  • 数据类型可为:签名/未签名的 8 位、16 位、32 位、64 位单精度浮点
  • 指令在所有通道中执行同一操作

用于演示 NEON 打包的 SIMD 处理的图表

使用 NEON 技术的ARMCortex™-A 系列处理器,以及 ARM 的Mali 多媒体硬件解决方案可用于多媒体应用,范围从智能手机移动计算设备到HDTV


注:Nvidia Tegra2处理器阉割了Neon协处理器,视频能力很鸡肋

分享到:
评论

相关推荐

Global site tag (gtag.js) - Google Analytics