Расширения набора инструкций SSE для x86 архитектуры

Введение

Расширение набора инструкций для компьютерных чипов

В вычислительной технике расширение потоковых SIMD-инструкций (SSE) — это расширение набора инструкций SIMD (Single Instruction, Multiple Data) для архитектуры x86, разработанное Intel и представленное в 1999 году в серии центральных процессоров Pentium III (CPU) вскоре после появления 3DNow! от Advanced Micro Devices (AMD). SSE содержит 70 новых инструкций (65 уникальных мнемонических кодов, использующих 70 кодировок), большинство из которых работают с данными одинарной точности с плавающей запятой. SIMD-инструкции могут значительно повысить производительность при выполнении одних и тех же операций над несколькими объектами данных. Типичные области применения — обработка цифровых сигналов и графики. Первой попыткой Intel в области SIMD IA 32 был набор инструкций MMX. MMX имел две основные проблемы: он использовал существующие регистры x87 с плавающей запятой, что не позволяло процессорам одновременно работать с данными с плавающей запятой и SIMD, и он работал только с целыми числами. Инструкции SSE с плавающей запятой работают с новым независимым набором регистров — регистрами XMM, а также добавляют несколько целочисленных инструкций, работающих с регистрами MMX. Впоследствии Intel расширила SSE до SSE2, SSE3, SSSE3 и SSE4. Благодаря поддержке математических операций с плавающей запятой, SSE имело более широкое применение, чем MMX, и стало более популярным. Добавление поддержки целых чисел в SSE2 сделало MMX в значительной степени избыточным, хотя в некоторых ситуациях можно добиться дальнейшего повышения производительности, используя MMX параллельно с операциями SSE. Изначально SSE называлось Katmai New Instructions (KNI), Katmai — это кодовое имя первой ревизии ядра Pentium III. В ходе проекта Katmai Intel стремилась отделить его от предыдущей линейки продуктов, особенно от флагманского Pentium II. Позже оно было переименовано в Internet Streaming SIMD Extensions (ISSE) и известно как различные варианты и комбинации SSE и MMX, вскоре после выпуска оригинального Athlon в августе 1999 года, см. расширения 3DNow!. В конечном итоге AMD добавила полную поддержку инструкций SSE, начиная с процессоров Athlon XP и Duron (ядро Morgan).

In computing, Streaming SIMD Extensions (SSE) is a single instruction, multiple data (SIMD) instruction set extension to the x86 architecture, designed by Intel and introduced in 1999 in their Pentium III series of central processing units (CPUs) shortly after the appearance of Advanced Micro Devices (AMD's) 3DNow!. SSE contains 70 new instructions (65 unique mnemonics using 70 encodings), most of which work on single precision floating point data. SIMD instructions can greatly increase performance when exactly the same operations are to be performed on multiple data objects. Typical applications are digital signal processing and graphics processing. Intel's first IA 32 SIMD effort was the MMX instruction set. MMX had two main problems: it re used existing x87 floating point registers making the CPUs unable to work on both floating point and SIMD data at the same time, and it only worked on integers. SSE floating point instructions operate on a new independent register set, the XMM registers, and adds a few integer instructions that work on MMX registers. SSE was subsequently expanded by Intel to SSE2, SSE3, SSSE3 and SSE4. Because it supports floating point math, it had wider applications than MMX and became more popular. The addition of integer support in SSE2 made MMX largely redundant, though further performance increases can be attained in some situations by using MMX in parallel with SSE operations. SSE was originally called Katmai New Instructions (KNI), Katmai being the code name for the first Pentium III core revision. During the Katmai project Intel sought to distinguish it from their earlier product line, particularly their flagship Pentium II. It was later renamed Internet Streaming SIMD Extensions (ISSE and known as several variants and combinations of SSE and MMX, shortly after with the release of the original Athlon in August 1999, see 3DNow! extensions. AMD eventually added full support for SSE instructions, starting with its Athlon XP and Duron (Morgan core) processors.

Инструкции по SSE

SSE представила как скалярные, так и векторные инструкции с плавающей точкой.

Позднейшие версии

SSE2, Willamette New Instructions (WNI), представленный с Pentium 4, является значительным усовершенствованием SSE. SSE2 добавляет две основные функции: поддержку вычислений с двойной точностью (64 бита) для всех операций SSE и выполнение MMX-операций над целыми числами в 128-битных регистрах XMM. В исходном наборе инструкций SSE преобразование в целые числа и из них размещало целочисленные данные в 64-битных MMX-регистрах. SSE2 позволяет программисту выполнять SIMD-вычисления над любым типом данных (от 8-битного целого до 64-битного числа с плавающей точкой) исключительно с использованием векторных регистров XMM, без необходимости использования устаревших регистров MMX или FPU. Он предоставляет ортогональный набор инструкций для работы с распространенными типами данных. SSE3, также известный как Prescott New Instructions (PNI), является инкрементным обновлением SSE2, добавляющим несколько математических инструкций, ориентированных на цифровую обработку сигналов (DSP), и некоторые инструкции для управления процессами (потоками). Он также позволил складывать или умножать два числа, хранящиеся в одном регистре, что было невозможно в SSE2 и более ранних версиях. Эта возможность, известная как горизонтальная в терминологии Intel, стала основным дополнением к набору инструкций SSE3. Расширение AMD 3DNow! также поддерживало подобную функциональность. SSSE3, Merom New Instructions (MNI), является обновлением SSE3, добавляющим 16 новых инструкций, включая перестановку байтов в слове, умножение 16-битных чисел с фиксированной точкой с корректным округлением и инструкции накопления внутри слова. SSSE3 часто путают с SSE4, поскольку этот термин использовался в процессе разработки микроархитектуры Core. SSE4, Penryn New Instructions (PNI), является еще одним важным усовершенствованием, добавляющим инструкцию скалярного произведения, дополнительные целочисленные инструкции, инструкцию popcnt (подсчет установленных битов: подсчет количества битов, установленных в 1, широко используемую, например, в криптографии) и многое другое. XOP, FMA4 и CVT16 — новые итерации, анонсированные AMD в августе 2007 года и пересмотренные в мае 2009 года. Advanced Vector Extensions (AVX), Gesher New Instructions (GNI), — это продвинутая версия SSE, представленная Intel, с расширенной шиной данных с 128 до 256 бит и инструкциями с тремя операндами (вместо двух). Intel выпустила процессоры с поддержкой AVX в начале 2011 года. AVX2 — это расширение набора инструкций AVX. AVX 512 (3.1 и 3.2) — это 512-битное расширение для 256-битных SIMD-инструкций Advanced Vector Extensions для архитектуры набора команд x86.

SSE2, Willamette New Instructions (WNI), introduced with the Pentium 4, is a major enhancement to SSE. SSE2 adds two major features: double precision (64 bit) floating point for all SSE operations, and MMX integer operations on 128 bit XMM registers. In the original SSE instruction set, conversion to and from integers placed the integer data in the 64 bit MMX registers. SSE2 enables the programmer to perform SIMD math on any data type (from 8 bit integer to 64 bit float) entirely with the XMM vector register file, without the need to use the legacy MMX or FPU registers. It offers an orthogonal set of instructions for dealing with common data types. SSE3, also called Prescott New Instructions (PNI), is an incremental upgrade to SSE2, adding a handful of DSP oriented mathematics instructions and some process (thread) management instructions. It also allowed addition or multiplication of two numbers that are stored in the same register, which wasn't possible in SSE2 and earlier. This capability, known as horizontal in Intel terminology, was the major addition to the SSE3 instruction set. AMD's 3DNow! extension could do the latter too. SSSE3, Merom New Instructions (MNI), is an upgrade to SSE3, adding 16 new instructions which include permuting the bytes in a word, multiplying 16 bit fixed point numbers with correct rounding, and within word accumulate instructions. SSSE3 is often mistaken for SSE4 as this term was used during the development of the Core microarchitecture. SSE4, Penryn New Instructions (PNI), is another major enhancement, adding a dot product instruction, additional integer instructions, a popcnt instruction (Population count: count number of bits set to 1, used extensively e. g. in cryptography), and more. XOP, FMA4 and CVT16 are new iterations announced by AMD in August 2007 and revised in May 2009. Advanced Vector Extensions (AVX), Gesher New Instructions (GNI), is an advanced version of SSE announced by Intel featuring a widened data path from 128 bits to 256 bits and 3 operand instructions (up from 2). Intel released processors in early 2011 with AVX support. AVX2 is an expansion of the AVX instruction set. AVX 512 (3.1 and 3.2) are 512 bit extensions to the 256 bit Advanced Vector Extensions SIMD instructions for x86 instruction set architecture.