Наборы инструкций ММХ

Тема 6. Архитектуры инструкций процессоров и их типы

Цель изучения темы: ознакомление студентов с наборами инструкций которые используются в современных процессорах.

Содержание:

1. Наборы инструкций ММХ.

2. Наборы инструкций 3DNow!

3. Наборы инструкций SSE.

4. Наборы инструкций SSE2.

5. Наборы инструкций SSE3.

6. Наборы инструкций SSE4.

7. Наборы инструкций SSE4.1.

8. Наборы инструкций SSE4.2.

9. Наборы инструкций AVX.

10. Наборы инструкций AES.

Фактически вся история развития компьютеров представляет собой непрерывную гонку между быстродействием центрального процессора и прочих систем - памяти и внешних устройств. Особенно это заметно в системах мультимедиа, где идет обработка звука и изображения, цифровое представление которых занимает большие объемы памяти. Для эффективной обработки звука и видео при относительно низкой пропускной способности системной магистрали (шины) все большее количество функций переносится в аппаратуру - модемы, видео- и звуковые адаптеры. Это вызывает их заметное удорожание в сравнении с общей стоимостью компьютера, что особенно неприятно в обстановке быстрого морального старения всей компьютерной аппаратуры.

Особенно данная проблема стала актуальна в начале 1990-х годов, когда ПК стал доступен широким массам пользователей и все активнее стал превращаться в средство развлечений. Первым процессором ощутившим нехватку ресурсов для мультимедийных приложений по тому времени стал Pentium.

На самом деле, неспособность ПК с процессором Pentium эффективно обрабатывать в реальном времени звук и видео без специальных карт происходит уже не столько от общего быстродействия процессора или шины, которые в большинстве случаев вполне достаточны, а от характера его набора команд обработки данных, известного под названием CISC. Этот набор, состоящий из относительно сложных арифметико-логических команд, ориентирован на типовые задачи обработки данных, не учитывая особые приложения. Эта выгодная для большинства приложений, архитектура оказывается совершенно неэффективной при скоростной и специфической обработке больших массивов данных, поскольку сложная система команд используется на считанные проценты, а накладные расходы составляют десятки и сотни процентов.

MMX (Multimedia Extensions — мультимедийные расширения) — коммерческое название дополнительного набора инструкций, выполняющих характерные для процессов кодирования/декодирования потоковых аудио/видео данных действия за одну машинную инструкцию. Впервые появился в процессорах Pentium MMX. Разработан в лаборатории Intel в Хайфе, Израиль, в первой половине 1990-х.

Технология MMX представляет собой компромиссное решение, объединяющее пути, используемые в компьютерах SPARC и Silicon Graphics (технология RISC - Reduced Instruction Set Computer, компьютер с упрощенным набором команд), а также в компьютерах с параллельной архитектурой (технология SIMD: Single Instruction, Multiple Data - одна команда, много данных) - классический процессор Pentium (CISC) с добавлением ряда простых (RISC) команд параллельной обработки данных (SIMD).

Процессор Pentium MMX отличается от "обычного" Pentium по шести основным пунктам:

1) добавлено 57 новых команд обработки данных;

2) увеличен в два раза объем внутреннего кэш (16 кб для команд и столько же - для данных);

3) увеличен объем буфера адресов перехода (Branch Target Buffer - BTB), используемого в системе предсказания переходов (Branch Prediction);

4) оптимизирована работа конвейера (Pipeline);

5) увеличено количество буферов записи (Write Buffers);

6) введено так называемое двойное электропитание процессора.

Набор из 57 новых команд и является основным отличием; остальные два - не более, чем сопутствующие изменения. Хотя увеличенный объем кэш и внутренних буферов и оптимизированный конвейер несколько ускоряют работу любых приложений, однако основное увеличение производительности - до 60% - возможно только при использовании программ, правильно применяющих технологию MMX в обработке данных.

За одну операцию команда MMX обрабатывает 64-разрядное двоичное слово (так называемое квадраслово, или QWord). Новые типы данных образуются от упаковки в квадраслово обычных типов - байтов (по 8), слов (по 4) или двойных слов (по 2). Четвертый тип представляет собой само квадраслово.

Таким образом, одна элементарная MMX-операция имеет дело либо с одним квадрасловом, что похоже на обычную операцию большой разрядности, либо с двумя двойными словами, четырьмя словами или восемью байтами, причем выполнение происходит одновременно и каждый элемент данных обрабатывается независимо от других. Подобные групповые операции преобладают во время обработки изображения (группы точек) и звука (группы значений амплитуды).

Набор MMX-команд состоит из команд пересылки данных, упаковки/распаковки, сложения/вычитания, умножения, сдвига, сравнения и поразрядных логических.

Команды упаковки и сложения/вычитания могут работать в двух режимах: обычном, когда переполнение разрядной сетки вызывает "заворачивание" (wraparound) значения результата, и специальном, когда оно приводит к ограничению (clipping) результата до минимально или максимально допустимого значения. Режим ограничения в терминологии Intel называется Saturation (насыщение) - в нем особенно удобно выполнять смешивание цветов изображения или амплитуд звуковых сигналов, поскольку при обычном переполнении результат не имеет никакого смысла.

Команда умножения представлена тремя видами: первые два выполняют попарное умножение четырех слов с выбором либо старшей, либо младшей части результата, а третий выполняет операцию вида ab + cd для каждой пары из четырех слов операндов, что очень удобно при вычислении математических рядов.

Команды сдвига реализуют логический и арифметический сдвиги своих операндов. Арифметический сдвиг отличается от логического тем, что при сдвиге вправо освободившиеся разряды заполняются копией знакового разряда, а не нулями, отчего он пригоден для умножения/деления знаковых операндов на степени двойки.

Логические поразрядные команды выполняют операции И (AND), ИЛИ (OR), Исключающее ИЛИ (XOR), а также комбинированную команду И с инверсией одного из операндов (AND NOT), удобную для реализации "обратного выбора" по битовой маске.

Команды сравнения работают несколько необычно по сравнению с общепринятой логикой: вместо установки признаков для последующих команд перехода они генерируют единичные битовые маски для тех операндов, которые удовлетворяют условию, и нулевые - для остальных операндов. Последующие логические поразрядные операции могут выделить, погасить или как-то иначе обработать отмеченные таким образом операнды, которые в этом случае могут представлять собой точки изображения или отсчеты звукового сигнала.

Особенности реализации MMX. Для обработки данных и хранения промежуточных результатов в Pentium MMX используются восемь 64-разрядных регистров MM0..MM7, которые физически совмещены со стеком регистров математического сопроцессора. При выполнении любой из MMX-команд происходит установка "режима MMX" с отметкой этого в слове состояния сопроцессора (FPU Tag Word). С этого момента стек регистров сопроцессора рассматривается как набор MMX-регистров; завершает работу в режиме MMX команда EMMS (End MultiMedia State). С одной стороны, такая реализация позволила обеспечить нормальную работу приложений, использующих MMX, в многозадачных системах, не поддерживающих эту технологию, поскольку все подобные системы создают собственную копию содержимого стека сопроцессора и слова его состояния для каждого процесса. С другой стороны, переход между режимами занимает значительное время, и совмещение, например, в одном цикле команд сопроцессора с командами MMX может не только не ускорить, а даже существенно замедлить выполнение программы. Поэтому для достижения наилучших результатов рекомендуется группировать эти команды отдельно друг от друга, что на самом деле не представляет никакой сложности.

Инструкции MMX не влияют на флаги условий. Регистры MMX, в отличие от регистров FPU, адресуются физически, а не относительно TOS. Любая инструкция MMX обнуляет поле TOS регистра состояния FPU. Инструкции MMX доступны из любого режима процессора.

6.2. Наборы инструкций 3DNow!

3DNow! — дополнительное расширение MMX для процессоров AMD, начиная с AMD K6 3D. Причиной создания 3DNow! послужило стремление завоевать превосходство над процессорами производства компании Intel в области обработки мультимедийных данных.

Технология 3DNow! ввела 21 новую команду процессора и возможность оперировать 32-битными вещественными типами в стандартных MMX-регистрах. Также были добавлены специальные инструкции, оптимизирующие переключение в режим MMX/3DNow! (femms, которая заменяла стандартную инструкцию emms) и работу с кэшем процессора. Таким образом технология 3DNow! расширяла возможности технологии MMX, не требуя введения новых режимов работы процессора и новых регистров.

Перед началом работы с расширением 3DNow! следует убедиться, что ЦП их поддерживает. Для этого используется инструкция CPUID.

Инструкции 3DNow!:

- PAVGUSB — вычисление среднего 8-битовых целых значений

- PI2FD — перевод 32-битных целых в вещественные числа

- PF2ID — перевод вещественных в 32-битные целые числа

- PFCMPGE — сравнение вещественных чисел, больше или равно

- PFCMPGT — сравнение вещественных чисел, больше

- PFCMPEQ — сравнение вещественных чисел, равно

- PFACC — накопление суммы вещественных чисел

- PFADD — сложение вещественных чисел

- PFSUB — вычитание вещественных чисел

- PFSUBR — обратное вычитание вещественных чисел

- PFMIN — нахождение минимума вещественных чисел

- PFMAX — нахождение максимума вещественных чисел

- PFMUL — умножение вещественных чисел

- PFRCP — нахождение приближённого значения обратного (1/x) вещественных чисел

- PFRSQRT — нахождение приближённого значения обратного от квадратного корня (1/sqrt(x)) вещественных чисел

- PFRCPIT1 — первый шаг вычисления значения обратного (1/x) вещественных чисел

- PFRSQIT1 — первый шаг вычисления значения обратного от квадратного корня (1/sqrt(x)) вещественных чисел

- PFRCPIT2 — второй шаr вычисления значения обратного или обратного от квадратного корня вещественных чисел

- PMULHRW — умножение 16-битных целых чисел с округлением

- FEMMS — быстрое переключение состояния FPU/MMX

- PREFETCH / PREFETCHW — предвыборка строки кэша процессора из памяти

Дата добавления: 2014-01-15