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CPU扩展指令集的扩展

发布时间:2019-07-28 16:17 来源:未知 编辑:admin

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  SSE(Streaming SIMD Extensions,单指令多数据流扩展)指令集是Intel在Pentium III处理器中率先推出的。其实,早在PIII正式推出之前,Intel公司就曾经通过各种渠道公布过所谓的KNI(Katmai New Instruction)指令集,这个指令集也就是SSE指令集的前身,并一度被很多传媒称之为MMX指令集的下一个版本,即MMX2指令集。究其背景,原来KNI指令集是Intel公司最早为其下一代芯片命名的指令集名称,而所谓的MMX2则完全是硬件评论家们和媒体凭感觉和印象对KNI的 评价,Intel公司从未正式发布过关于MMX2的消息。

  而最终推出的SSE指令集也就是所谓胜出的互联网SSE指令集。SSE指令集包括了70条指令,其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD(单指令多数据技术)浮点运算指令、12条MMX 整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。理论上这些指令对流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。SSE指令与3DNow!指令彼此互不兼容,但SSE包含了3DNow!技术的绝大部分功能,只是实现的方法不同。SSE兼容MMX指令,它可以通过SIMD和单时钟周期并行处理多个浮点数据来有效地提高浮点运算速度。

  SSE指令集Intel代表处理器:Pentium III SSE2(Streaming SIMD Extensions 2,Intel官方称为SIMD 流技术扩展 2或数据流单指令多数据扩展指令集 2)指令集是Intel公司在SSE指令集的基础上发展起来的。相比于SSE,SSE2使用了144个新增指令,扩展了MMX技术和SSE技术,这些指令提高了广大应用程序的运行性能。随MMX技术引进的SIMD整数指令从64位扩展到了128 位,使SIMD整数类型操作的有效执行率成倍提高。双倍精度浮点SIMD指令允许以 SIMD格式同时执行两个浮点操作,提供双倍精度操作支持有助于加速内容创建、财务、工程和科学应用。除SSE2指令之外,最初的SSE指令也得到增强,通过支持多种数据类型(例如,双字和四字)的算术运算,支持灵活并且动态范围更广的计算功能。SSE2指令可让软件开发员极其灵活的实施算法,并在运行诸如MPEG-2、MP3、3D图形等之类的软件时增强性能。Intel是从Willamette核心的Pentium 4开始支持SSE2指令集的,而AMD则是从K8架构的SledgeHammer核心的Opteron开始才支持SSE2指令集的。

  SSE2指令集Intel代表处理器:老Pentium 4 SSE3(Streaming SIMD Extensions 3,Intel官方称为SIMD 流技术扩展 3或数据流单指令多数据扩展指令集 3)指令集是Intel公司在SSE2指令集的基础上发展起来的。相比于SSE2,SSE3在SSE2的基础上又增加了13个额外的SIMD指令。SSE3 中13个新指令的主要目的是改进线程同步和特定应用程序领域,例如媒体和游戏。这些新增指令强化了处理器在浮点转换至整数、复杂算法、视频编码、SIMD浮点寄存器操作以及线程同步等五个方面的表现,最终达到提升多媒体和游戏性能的目的。Intel是从Prescott核心的Pentium 4开始支持SSE3指令集的,而AMD则是从2005年下半年Troy核心的Opteron开始才支持SSE3的。但是需要注意的是,AMD所支持的SSE3与Intel的SSE3并不完全相同,主要是删除了针对Intel超线程技术优化的部分指令。

  SSE3指令集Intel代表处理器:基于Prescott核心新Pentium 4 3DNow!是AMD公司开发的SIMD指令集,可以增强浮点和多媒体运算的速度,并被AMD广泛应用于其K6-2 、K6-3以及Athlon(K7)处理器上。3DNow!指令集技术其实就是21条机器码的扩展指令集。

  与Intel公司的MMX技术侧重于整数运算有所不同,3DNow!指令集主要针对三维建模、坐标变换 和效果渲染等三维应用场合,在软件的配合下,可以大幅度提高3D处理性能。后来在Athlon上开发了Enhanced 3DNow!。这些AMD标准的SIMD指令和Intel的SSE具有相同效能。因为受到Intel在商业上以及Pentium III成功的影响,软件在支持SSE上比起3DNow!更为普遍。Enhanced 3DNow!AMD公司继续增加至52个指令,包含了一些SSE码,因而在针对SSE做最佳化的软件中能获得更好的效能。

  一个指令,同时处理多个数据的好创意,其他CPU当然也不会放过。AMD看到Intel MMX,眼红之下在K6 CPU里搞出了一个类似的3DNow!因为MMX与浮点数混用时性能会有下降的情况,支持浮点数并行处理的3DNow!找着了机会。其实是AMD占了Intel的便宜,因为很多程序员把3DNow!作为MMX的一个补充,处理整数的时候用MMX,处理浮点数的时候用3DNow!。

  1999年的时候,AMD在Athlon处理器上又添加了几个指令,这就是3DNow!+,又被称为3DNow!2。不过看到大势已去,AMD终于放弃了在多媒体指令集上的抵抗,转而支持Intel SSE,这样双方一直到SSE3都相安无事。统一的标准其实是一件好事,要是一个软件分别有SSE版本和3DNow!+版本,开发者和用户很快都会不堪其扰。

  但是AMD和Intel在多媒体指令集上又开始大打出手,大有分道扬镳的势头。与Intel SSE4.1针锋相对,AMD Phenom只支持SSE4A指令集,并且AMD在抢先放出了SSE5的风声,而Intel则断然拒绝支持AMD的SSE5,直到现在双方还相持不下。 SSE4指令集是Conroe架构所引入的新指令集。这项原本计划应用于NetBurst微架构Tejas核心处理器之上的全新技术也随着它的夭折最终没能实现,这不能不说是个遗憾,但是SSE4指令集出现在了Conroe上又让我们看到了希望。

  SSE4指令集共包括16条指令,不过虽然扣肉处理器推出已经有一些时日,但英特尔仍没有公布SSE4指令集的具体资料。这相当令人感到纳闷。也许英特尔是基于特殊的考虑,仅让少数合作软件厂商取得数据,只是这种作法实在很没有说服力就是了,天底下没有哪家处理器厂商,希望自己新增的指令越少人用越好。

  不过,从Intel Core微架构针对SSE指令所作出的修改被称之为“Intel Advanced Digital Media Boost”技术来看,未来SSE4将更注重针对视频方面的优化,我们认为SSE4主要改进之处可能将针对英特尔的Clear Video高清视频技术及UDI接口规范提供强有力的支持。这两项技术基于965芯片组,Intel的官方把Clear Video技术定义为:支持高级解码、拥有预处理和增强型3D处理能力。

  值得一提的是,在SSE4中另一个重要的改进就是提供完整128位宽的SSE执行单元,一个频率周期内可执行一个128位SSE指令。Conroe中SSE的ADDPS(4D 32bit共128bit,单精度加法)、MULPS(4D 32bit共128bit,单精度乘法)和SSE2的ADDPD(2D 64bit共128bit,双精度加法)、MULPD(2D 64bit共128bit,双精度乘法),这四条重要SSE算术指令的吞吐周期都降低到1个周期,真正做到了英特尔宣称的每个周期执行一条128位向量加法指令和一条128位向量乘法指令的能力。

  据Intel指出,在应用SSE4指令集后,Penryn增加了2个不同的32Bit向量整数乘法运算支持,引入了8 位无符号 (Unsigned)最小值及最大值运算,以及16Bit 及32Bit 有符号 (Signed) 及无符号运算,并有效地改善编译器效率及提高向量化整数及单精度代码的运算能力。同时,SSE4 改良插入、提取、寻找、离散、跨步负载及存储等动作,令向量运算进一步专门化。

  SSE4加入了6条浮点型点积运算指令,支持单精度、双精度浮点运算及浮点产生操作,且IEEE 754指令 (Nearest, -Inf, +Inf, and Truncate) 可立即转换其路径模式,大大减少延误,这些改变将对游戏及 3D 内容制作应用有重要意义。

  此外,SSE4加入串流式负载指令,可提高以图形帧缓冲区的读取数据频宽,理论上可获取完整的快取缓存行,即每次读取64Bit而非8Bit,并可保持在临时缓冲区内,让指令最多可带来8倍的读取频宽效能提升,对于视讯处理、成像以及图形处理器与中央处理器之间的共享数据应用,有着明显的效能提升。

  SSE3装载了用一个命令一口气处理复数个数据的「SIMD」的处理方式,特别在处理语音和动画关联上能够高速地发挥力量。SSSE3是在 SSE3命令的基础上又添加了32个新命令的产品,其原名为TNI,是SSE4指令集的子集,包含有13条命令。目前SSSE3也是最先进的指令集,增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。

  SSSE3指令集Intel代表处理器:65nm 酷睿2 在Nehalem架构的Core i7处理器中,SSE4.2指令集被引入,加入了STTNI(字符串文本新指令)和ATA(面向应用的加速器)两大优化指令。SSE4.2新加入的几条新指令有两类。第一类是字符串与文本新指令STTNI,STTNI包含了四条具体的指令。STTNI指令可以对两个16位的数据进行匹配操作,以加速在XML分析方面的性能。据Intel表示,新指令可以在XML分析方面取得3.8倍的性能提升。

  第二类指令是面向应用的加速指令ATA。ATA包括冗余校验的CRC32指令、计算源操作数中非0位个数的POPCNT指令,以及对于打包的64位算术运算的SIMD指令。CRC32指令可以取代上层数据协议中经常用到的循环冗余校验,据Intel表示其加速比可以达到6.5~18.6倍;POPCNT用于提高在DNA基因配对、声音识别等包含大数据集中进行模式识别和搜索等操作的应用程序性能。 Intel也公布了支持新指令集的开发工具。这些工具涵盖了主流的编译开发环境。已明确支持SSE4.2的开发环境包括:Intel C++ Compiler 10.X、微软的Visual Studio 2008 VC++、GCC 4.3.1、Sun Studio Express等。程序员可以直接使用高级编程语言编程,编译器会自动生成优化结果。当然程序员也可以用内嵌汇编的方式来达到目的。 EM64T(Extended Memory 64 Technology)也就是Intel公司开发的64位内存扩展技术。它实际上就是Intel IA-32构架体系的扩展,既IA-32E(Intel Architectur-32 Extension)。Intel的IA-32处理器通过加入EM64T技术便可在兼容IA-32软件的情况下,允许软件程序利用更多的内存地址空间,并且允许程序进行32 位线性地址写入。Intel的EM64T所强调的是32位技术与64位技术的兼容性,为采用EM64T的处理器增加了8个64位通用寄存器,并将原有的32位通用寄存器全部扩展为64位,这样也提高了处理器的整数运算能力。另外增加的8个SEE寄存器也提供了对SSE、SSE2和SSE3指令的支持。

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