深入分析AVX指令集..docxVIP

SNB平台掌上明珠 深入分析AVX指令集 指令集是指CPU能执行的所有指令的集合，每一指令对应一种操作，任何程序最终要编译成一条条指令才能让CPU识别并执行。CPU依靠指令来计算和控制系统，所以指令强弱是衡量CPU性能的重要指标，指令集也成为提高CPU效率的有效工具。 CPU都有一个基本的指令集，比如说目前英特尔和AMD的绝大部分处理器都使用的是X86指令集，因为它们都源自于X86架构。但无论CPU有多快，X86指令也只能一次处理一个数据，这样效率就很低下，毕竟在很多应用中，数据都是成组出现的，比如一个点的坐标（XYZ）和颜色（RGB）、多声道音频等。为了提高CPU在某些方面的性能，就必须增加一些特殊的指令满足时代进步的需求，这些新增的指令就构成了扩展指令集。英特尔CPU扩展指令集演变 英特尔在1996年率先引入了MMX（Multi Media eXtensions）多媒体扩展指令集，也开创了SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多数据）指令集之先河，即在一个周期内一个指令可以完成多个数据操作，MMX指令集的出现让当时的MMX Pentium大出风头。英特尔处理器扩展指令集演变史（图片来源后藤弘茂） SSE（Streaming SIMD Extensions，流式单指令多数据扩展）指令集是1999年英特尔在Pentium III处理器中率先推出的，并将矢量处理能力从64位扩展到了128位。在Willamette核心的Pentium 4中英特尔又将扩展指令集升级到SSE2（2000年），而SSE3指令集（2004年）是从Prescott核心的Pentium 4开始出现。 SSE4（2007年）指令集是自SSE以来最大的一次指令集扩展，它实际上分成Penryn中出现的SSE4.1和Nehalem中出现的SSE4.2，其中SSE4.1占据了大部分的指令，共有47条，Nehalem中的SSE4指令集更新很少，只有7条指令，这样一共有54条指令，称为SSE4.2。Sandy Bridge支持AVX指令集 当我们还在惯性的认为英特尔将推出SSE5时，不料半路杀出来个程咬金，2007年8月，AMD抢先宣布了SSE5指令集(SSE到SSE4均为英特尔出品)，英特尔当即黑脸表示不支持SSE5，转而在2008年3月宣布Sandy Bridge微架构将引入全新的AVX指令集，同年4月英特尔公布AVX指令集规范，随后开始不断进行更新，业界普遍认为支持AVX指令集是Sandy Bridge最重要的进步，没有之一。英特尔AVX指令集简介 AVX（Advanced Vector Extensions，高级矢量扩展）指令集借鉴了一些AMD?SSE5的设计思路，进行扩展和加强，形成一套新一代的完整SIMD指令集规范。IDF2010上演示AVX应用 在今年4月的IDF2010上，英特尔演示了AVX的应用，在两个不同平台上动态跟踪刘翔运行服上的五星红旗，结果显示，支持AVX的系统视频跟踪的用时为14秒，比不支持AVX的系统快了21秒，性能提升了60%以上。 有兴趣的读者可以点击观看AVX应用主题演讲视频，时间大概在第33分钟左右。英特尔AVX的新特性英特尔AVX指令集主要在以下几个方面得到扩充和加强： ·支持256位矢量计算，浮点性能最大提升2倍 ·增强的数据重排，更有效存取数据 ·支持3操作数和4操作数，在矢量和标量代码中能更好使用寄存器 ·支持灵活的不对齐内存地址访问 ·支持灵活的扩展性强的VEX编码方式，可减少代码?支持256位矢量计算 自1999年SSE将矢量处理能力从64位提升到128位后，SSE系列指令都只能使用128位XMM寄存器，这次AVX将所有16个128位XMM寄存器扩充为256位的YMM寄存器，从而支持256位的矢量计算。128位的XMM寄存器扩展到256位的YMM寄存器 这意味着可以同时处理8个32bit的浮点或是一个256bit的浮点，在写程序时可以忽略SSE?128bit的限制，直接写入一个可以进行多组操作，能够充分利用256bit数据位宽的代码，理想状态下，浮点性能最高能达到前代的2倍水平。 当然有时并不是能完全能利用这256位，在大多数情况下，这些寄存器的高128位是设为0或者是“LEFTunchanged”，同时所有的SSE/SSE2/SSE3/SSSE3/SSE4指令是被AVX全面兼容的（AVX不兼容MMX），因此实际操作的是YMM寄存器的低128位，在这一点上与原来的SSE系列指令集无异。Sandy Bridge最突出的部分 为了满足指令集带来的改进，Load载入单元也要适应一次载入256Bit的能力，所以增加了一组载入单元完成载入操作，并不是单纯的将带宽扩展一倍。这样可以在一个时钟