处理器增强指令集

Posted 2022-11-30 不会写代码的丝丽

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了处理器增强指令集相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

浮点运算器(FPU)指令集

在原始的CPU指令集中并没有专门ALU用于浮点数的运算，只能用整数运算器去模拟浮点计算，效率极低。因此随着科技的发展推出了x87指令集用于浮点计算（遵守IEE754）。

x87指令集是x86的子集具体指令参阅 Floating-Point Unit (FPU) instructions set

为了支持浮点计算推出了st(0)-st(7) 八个寄存器，存储格式为IEE754。但是他们访问存储是通过类似循环栈结构方式。

本文将采用内联汇编的方式编写浮点指令

fld

我们看一个例子去理解循环栈结构

fld: 用于加载一个数据到st(i)中，i数值取决于当前栈位置，当st存储完8个位置后会重新从st0覆盖

int main()


	float f1 = 1.1f;

	float f2 = 2.2f;
	float f3 = 3.3f;
	float f4 = 4.4f;
	float f5 = 5.5f;
	float f6 = 6.6f;
	float f7 = 7.7f;
	float f8 = 8.8f;
	float f9 = 9.9f;

	float ret = 0;
	__asm 
		fld f1
		fld f2
		fld f3
		fld f4
		fld f5
		fld f6
		fld f7
		fld f8
		fld f9
	



	return 0;

FST

存储一个浮点数到内存，但是不弹出st(0)

FSTP

存储一个浮点数到内存，弹出st(0)

常见逻辑运算

FADD
执行加法，但是不弹出st

参数其中一个操作数一定是st(0)，另一个数可为32位内存数或者其他st.

FADDP
和fadd差不多,只不过会弹出st

比较逻辑运算符

再浮点寄存器中有一个16位的状态寄存器如下图所示

其中第14， 10， 8用于做比较使用的状态标志位如下图所示

fcom
比较浮点数，但是只影响浮点标志寄存器不影响EFLAGS所以类似JE等指令无法使用
fcom 会影响浮点状态寄存器 c0 c2 c3

fcomi

和fcom类似，但是会影响EFLAGS

一个DEMO

#include<stdio.h>

int main()

	float f1 = 1.1f;
	float f2 = 2.2f;
	float f3 = 3.3f;
	float f4 = 4.4f;
	float f5 = 5.5f;
	float f6 = 6.6f;
	float f7 = 7.7f;
	float f8 = 8.8f;
	float f9 = 9.9f;
	float retx = 0;
	__asm 
		fld f1
		fld f1
		//比较st0 和st1，影响EFLAG标志
		fcomi st(0),st(1)
		//因为相等 所以跳转到jmpflag
		je jmpflag

		fld f8
		fld f8
		fld f8
		fld f8
		fld f8
	
		jmpflag:
		//存储
		fld f9
		fld f9
		fld f9
		fld f9
		fld f9
	
	return 0;

SIMD

单指令多数据 (single instruction ,multiple data) 是一组高效的指令集，可以在一个时间点计算多组数据，这对于矩阵和向量计算极为有用。

举个例子：

上面是一个再简单不过的矩阵计算。在正常情况也许我们取出每个矩阵行列相乘放入结果中。在原始指令集中也许我们一个个取出数据计算，但是如果我们有一个指令允许我们瞬间完成多个数据计算求和。这对于性能提升极大尤其在图像加解密方面。

MMX

mmx是第一个广泛部署在桌面的SIMD指令集(参考维基百科)
mmx缩写并没有官方释义但有以下参考：
MultiMedia eXtension 多媒体扩展
Multiple Math eXtension 多重数学扩展
Matrix Math eXtension 矩阵数学扩展

MMX 额外定义了8个寄存器mm0-mm7，但本质是公用了st0-st7，但是只能用于整数不能用于浮点。

我们看一个真正SIMD指令例子：

我们可以看到我们只运行了paddd指令即可完成两个int的计算求和。

SSE

由于MMX不支持浮点计算AMD推出了3D Now!.
3D Now! 发布一年后，Intel在MMX基础上发展出SSE（Streaming SIMD Extensions） 指令集，用来取代MMX。

SSE推出新8个寄存器XMM0~XMM7每个寄存器大小为128

常用命令

movss 传入单精度到xmm寄存器
movsd 传入双精度到xmm寄存器
movaps 传入地址对齐的单精度到xmm寄存器（地址必须模16）
movups 传入地址未对齐的单精度到xmm寄存器
movapd 传入对齐的双精度到xmm寄存器（地址必须模16）
movupd 传入未对齐的双精度到xmm寄存器
addss 单精度加法
addsd 双精度加法
addps 打包加法单精度

AVX

SSE5第五代由AMD提出，但由于市场竞争Intel直接宣布跳过SSE5推出AVX。
AVX全称 Advanced vector extensions(高级矢量扩展)

AVX 新增了8寄存器 YMM0-YMM7 为256位。其中需要注意XMM0和YMM0是共用寄存器的。另外提供三操作数。
SSE迁移到AVX比较简单只需要在原始指令集前加V即可

一个DEMO:

其他

你可以通过cpu-z查看CPU支持的SIMD指令

在VC中可以选择是否开启对应的指令集

如果你不想使用汇编也想使用SIMD指令，在windows可以使用immintrin.h对应的下函数。

#include<stdio.h>
#include<immintrin.h>
int main()

	__m64 d;
	__m64 d2;
	d.m64_i32[0] = 1;
	d.m64_i32[1] = 1;
	d2.m64_i32[0] = 2;
	d2.m64_i32[1] = 2;

	__m64 ret = _m_paddd(d, d2);


	return 0;