HPCIntel SIMD技术——如何用code检查你的CPU支持哪些指令集？
Posted 从善若水
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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HPCIntel SIMD技术——如何用code检查你的CPU支持哪些指令集？相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。
博客内容主要围绕：
5G协议讲解
算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
高级C语言讲解
Rust语言讲解
文章目录
去年公司启动了6G项目的预研，我们实验室研究的主题是目前6G中比较火的技——通感一体。我们的原型机可以通过无线电（CSI）来检测人们的呼吸频率，运动轨迹等。
因为整体的研究还处于起步阶段，算法设计复杂度也比较大，例如，我们需要在20ms内完成 218400B 的计算，计算中涉及多次FFT、SG滤波等算法。
开始，我们没利用SIMD加速，会出现实时性差（我们需要实时显示呼吸频率的变化），还会出现数据在网卡中丢失的问题。之后利用AVX512指令集进行加速，速度提升了200%。
用code检查你的CPU支持哪些指令集
并不是每个Intel 的 CPU 都支持所有的 SIMD 指令集。例如，至强10代就不支持AVX512。我之前是在至强11代上开发的程序，使用AVX512没有问题，后来在实验室的机器上程序就无法运行，原因就是实验室的机器是至强10代，不支持AVX512指令。后来不得不使用AVX指令重新优化code。
那么问题来了，如何通过code实现程序启动动态选择使用哪个指令集？如果感兴趣接着往下看👇。
内联汇编看不懂的，点这里🤘
CPUID指令简介
根据输入到EAX (在某些情况下，也包括ECX) 中的值，返回处理器信息和支持的特性信息。对于SIMD指令集的检测，我们需要将 0x01输入到EAX中，支持的feature信息会输出到ECX和EDX中，如下图
ECX中的返回值含义：
EDX中的返回值含义：
要想使用CPUID首先我们需要检查处理器是否支持CPUID 指令。EFLAGS寄存器中的ID标志(第21位)表示对CPUID指令的支持，见下图
EFLAGS寄存器中的ID标志(第21位)表示对CPUID指令的支持。如果软件可以设置并清除这个标志，则执行该程序的处理器支持CPUID指令。如果在不支持CPUID指令的处理器上执行，会产生一个无效的opcode异常(#UD)。
检查处理器是否支持CPUID指令
操作流程如下：
- 读取RFLAGS；
- 将读取到的值的ID flag值为1，写回RFLAGS。再次读取RFLAGS，判断ID flag是否位1，如果为1，继续步骤3。否则不支持CPUID指令；
- 将读取到的值的ID flag值为0，写回RFLAGS。再次读取RFLAGS，判断ID flag是否位0，如果为0，支持CPUID指令。否则不支持CPUID指令。
代码实现：
uint8_tsupports_cpuid()
uint64_trc=0;
__asm__volatile("pushfq\\n\\t"
"popq %%rax\\n\\t"
"and $0x00200000,%%eax\\n\\t"
"cmp $0x00200000,%%eax\\n\\t"
"je NOT_SUPPORT%=\\n\\t"
"or $0x00200000,%%eax\\n\\t"
"pushq %%rax\\n\\t"
"popfq\\n\\t"
"pushfq\\n\\t"
"popq %%rax\\n\\t"
"and $0x00200000,%%eax\\n\\t"
"cmp $0x00200000,%%eax\\n\\t"
"jne NOT_SUPPORT%=\\n\\t"
"and $0xffdfffff,%%eax\\n\\t"
"pushq%%rax\\n\\t"
"popfq\\n\\t"
"pushfq\\n\\t"
"popq %%rax\\n\\t"
"and $0x00200000,%%eax\\n\\t"
"cmp $0x00200000,%%eax\\n\\t"
"je NOT_SUPPORT%=\\n\\t"
"mov $1,%0\\n\\t"
"jmp CSRS%=\\n\\t"
"NOT_SUPPORT%=:\\n\\t"
"mov $0,%0\\n\\t"
"CSRS%=:NOP"
:"=rm"(rc)
:
:"cc");
return(uint8_t)rc;
检查是否支持XMM技术
操作流程：
- 写1到eax中；
- 执行cpuid指令；
- 检查edx中的bit 23是否为1，如果是1表示支持MMX。否则不支持。
代码如下：
uint8_tsupports_mmx()
uint64_trc=0;
__asm__volatile("mov $1,%%eax\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"test $0x00800000,%%edx\\n\\t"
"je NOT_SUPPORT_MMX\\n\\t"
"mov $1,%0\\n\\t"
"jmp CSRS%=\\n\\t"
"NOT_SUPPORT_MMX:\\n\\t"
"mov $0,%0\\n\\t"
"CSRS%=:"
:"=rm"(rc)
:
:"cc"
);
return(uint8_t)rc;
检查是否支持SSE
操作流程：
- 写1到eax中；
- 执行cpuid指令；
- 检查edx中的bit 25是否为1，如果是1表示支持SSE。否则不支持。
代码如下：
uint8_tsupports_sse()
uint64_trc=0;
__asm__volatile("mov $1,%%eax\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"test $0x02000000,%%edx\\n\\t"
"je NOT_SUPPORT_SSE\\n\\t"
"mov $1,%0\\n\\t"
"jmp CSRS%=\\n\\t"
"NOT_SUPPORT_SSE:\\n\\t"
"mov $0,%0\\n\\t"
"CSRS%=:"
:"=rm"(rc)
:
:"cc"
);
return(uint8_t)rc;
检查是否支持SSE2
操作流程：
- 写1到eax中；
- 执行cpuid指令；
- 检查edx中的bit 26是否为1，如果是1表示支持SSE2。否则不支持。
代码如下：
uint8_tsupports_sse2()
uint64_trc=0;
__asm__volatile("mov $1,%%eax\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"test $0x04000000,%%edx\\n\\t"
"je NOT_SUPPORT_SSE2\\n\\t"
"mov $1,%0\\n\\t"
"jmp CSRS%=\\n\\t"
"NOT_SUPPORT_SSE2:\\n\\t"
"mov $0,%0\\n\\t"
"CSRS%=:"
:"=rm"(rc)
:
:"cc"
);
return(uint8_t)rc;
检查是否支持SSE3
操作流程：
- 写1到eax中；
- 执行cpuid指令；
- 检查ecx中的bit 0是否为1，如果是1表示支持SSE3。否则不支持。
代码如下：
uint8_tsupports_sse3()
uint64_trc=0;
__asm__volatile("mov $1,%%eax\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"test $0x00000001,%%ecx\\n\\t"
"je NOT_SUPPORT_SSE3\\n\\t"
"mov $1,%0\\n\\t"
"jmp CSRS%=\\n\\t"
"NOT_SUPPORT_SSE3:\\n\\t"
"mov $0,%0\\n\\t"
"CSRS%=:"
:"=rm"(rc)
:
:"cc"
);
return(uint8_t)rc;
检查是否支持SSE4.1
操作流程：
- 写1到eax中；
- 执行cpuid指令；
- 检查ecx中的bit 19是否为1，如果是1表示支持SSE4.1。否则不支持。
代码如下：
uint8_tsupports_sse4_1()
uint64_trc=0;
__asm__volatile("mov $1,%%eax\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"test $0x00080000,%%ecx\\n\\t"
"je NOT_SUPPORT_SSE4_1\\n\\t"
"mov $1,%0\\n\\t"
"jmp CSRS%=\\n\\t"
"NOT_SUPPORT_SSE4_1:\\n\\t"
"mov $0,%0\\n\\t"
"CSRS%=:"
:"=rm"(rc)
:
:"cc"
);
return(uint8_t)rc;
检查是否支持SSE4.2
操作流程：
- 写1到eax中；
- 执行cpuid指令；
- 检查ecx中的bit 20是否为1，如果是1表示支持SSE4.2。否则不支持。
代码如下：
uint8_tsupports_sse4_2()
uint64_trc=0;
__asm__volatile("mov $1,%%eax\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"test $0x00100000,%%ecx\\n\\t"
"je NOT_SUPPORT_SSE4_2\\n\\t"
"mov $1,%0\\n\\t"
"jmp CSRS%=\\n\\t"
"NOT_SUPPORT_SSE4_2:\\n\\t"
"mov $0,%0\\n\\t"
"CSRS%=:"
:"=rm"(rc)
:
:"cc"
);
return(uint8_t)rc;
首先介绍 XCR0（EXTENDED CONTROL REGISTERS）寄存器
如果 CPUID.01H:ECX.XSAVE[bit 26] 为1，处理器支持一个或多个扩展控制寄存器(XCRs)。
目前，唯一定义的此类寄存器是XCR0。这个寄存器中的每一位都是一个标志位，表示操作系统是否为某个处理器状态组件提供上下文管理功能，例如x87 FPU状态、SSE状态、AVX状态。操作系统通过设置 XCR0指明它为那个组件提供了上下文管理的功能。
如果CPUID.01H:ECX.OSXSAVE[bit 27] == 1，那么软件可以访问 XCR0。XCR0中的每个位(63位除外)对应一个处理器状态组件，XCR0支持多达63组处理器状态组件。XCR0的第63位预留给未来扩展。
检查是否支持AVX
操作流程：
- 检查CPUID是否支持；
- 执行CPUID；
- 检查ebx中的bit 28为1（表示支持AVX）；
- ecx中的bit 27是否为1（表示 XGETBV 指令可以使用）；
- 执行XGETBV，读取XCR0；
- 检查返回的结果中bit1和bit2是否为1（表示操作系统支持XMM和YMM的状态管理）。
代码如下：
uint8_tsupports_avx()
uint64_trc=0;
__asm__volatile("mov $1,%%eax\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"and $0x18000000,%%ecx\\n\\t"
"cmp $0x18000000,%%ecx\\n\\t"
"jne NOT_SUPPORT_AVX\\n\\t"
"mov $0,%%ecx\\n\\t"
"xgetbv\\n\\t"
"and $0x6,%%eax\\n\\t"
"cmp $0x6,%%eax\\n\\t"
"jne NOT_SUPPORT_AVX\\n\\t"
"mov $1,%0\\n\\t"
"jmp RSCS_AVX\\n\\t"
"NOT_SUPPORT_AVX:\\n\\t"
"mov $0,%0\\n\\t"
"RSCS_AVX:NOP"
:"=rm"(rc)
:
:"cc"
);
return(uint8_t)rc;
检查是否支持AVX2
操作流程：
- 检查CPUID是否支持；
- 执行CPUID；
- 检查ebx中的bit 5是否为1（表示支持AVX2）；
- ecx中的bit 27是否为1（表示 XGETBV 指令可以使用）；
- 执行XGETBV，读取XCR0；
- 检查返回的结果中bit1和bit2是否为1（表示操作系统支持XMM和YMM的状态管理）。
代码如下：
uint8_tsupports_avx2()
uint64_trc=0;
__asm__volatile("mov $1,%%eax\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"and $0x08000000,%%ecx\\n\\t"
"cmp $0x08000000,%%ecx\\n\\t"
"jne NOT_SUPPORT_AVX2\\n\\t"
"mov $7,%%eax\\n\\t"
"mov $0,%%ecx\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"and $0x20,%%ebx\\n\\t"
"cmp $0x20,%%ebx\\n\\t"
"jne NOT_SUPPORT_AVX2\\n\\t"
"mov $0,%%ecx\\n\\t"
"xgetbv\\n\\t"
"and $0x6,%%eax\\n\\t"
"cmp $0x6,%%eax\\n\\t"
"jne NOT_SUPPORT_AVX2\\n\\t"
"mov $1,%0\\n\\t"
"jmp RSCS_AVX2\\n\\t"
"NOT_SUPPORT_AVX2:\\n\\t"
"mov $0,%0\\n\\t"
"RSCS_AVX2:NOP"
:"=rm"(rc)
:
:"cc"
);
return(uint8_t)rc;
检查是否支持AVX512
操作流程：
- 检查CPUID是否支持；
- 执行CPUID；
- 检查ebx中的bit 16是否为1（表示支持AVX512）；
- ecx中的bit 27是否为1（表示 XGETBV 指令可以使用）；
- 执行XGETBV，读取XCR0；
- 检查 XCR0[7:5] = ‘111b’ （表示操作系统开启了 OPMASK状态、ZMM0-ZMM15的高256-bit 和 ZMM16-ZMM31状态管理功能）；
- 检查 XCR0[2:1] = ‘11b’ （表示操作系统支持XMM、YMM和ZMM的状态管理）。
代码如下：
uint8_tsupports_avx512()
uint64_trc=0;
__asm__volatile("mov $1,%%eax\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"and $0x08000000,%%ecx\\n\\t"
"cmp $0x08000000,%%ecx\\n\\t"
"jne NOT_SUPPORT_AVX512\\n\\t"
"mov $7,%%eax\\n\\t"
"mov $0,%%ecx\\n\\t"
"cpuid\\n\\t"
"and $0x10000,%%ebx\\n\\t"
"cmp $0x10000,%%ebx\\n\\t"
"jne NOT_SUPPORT_AVX512\\n\\t"
"mov $0,%%ecx\\n\\t"
"xgetbv\\n\\t"
"and $0xE6,%%eax\\n\\t"
"cmp $0xE6,%%eax\\n\\t"
"jne NOT_SUPPORT_AVX512\\n\\t"
"mov $1,%0\\n\\t"
"jmp RSCS_AVX512\\n\\t"
"NOT_SUPPORT_AVX512:\\n\\t"
"mov $0,%0\\n\\t"
"RSCS_AVX512:NOP"
:"=rm"(rc)
:
:"cc"
);
return(uint8_t)rc;
下面是在我的至强10代上运行的结果
int
main(int argc, char *argv[])
printf("support cpuid %d\\n",supports_cpuid());
printf("support mmx %d\\n",supports_mmx());
printf("support sse %d\\n",supports_sse());
printf("support sse2 %d\\n",supports_sse2());
printf("support sse3 %d\\n",supports_sse3());
printf("support sse4.1 %d\\n",supports_sse4_1());
printf("support sse4.2 %d\\n",supports_sse4_2());
printf("support avx %d\\n",supports_avx());
printf("support avx2 %d\\n",supports_avx2());
printf("support avx512 %d\\n",supports_avx512());
return 0;
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