CPU之多媒體指令集詳細(xì)介紹
2020-07-16 13:10:57
供稿：網(wǎng)友
CPU依靠指令來計(jì)算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計(jì)時(shí)就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強(qiáng)弱也是CPU的重要指標(biāo)，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。從現(xiàn)階段的主流體系結(jié)構(gòu)講，指令集可分為復(fù)雜指令集和精簡指令集兩部分，而從具體運(yùn)用看，如Intel的MMX（Multi Media Extended）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）和AMD的3DNow!等都是CPU的擴(kuò)展指令集，分別增強(qiáng)了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能力。我們通常會(huì)把CPU的擴(kuò)展指令集稱為"CPU的指令集"。
1、精簡指令集的運(yùn)用
在最初發(fā)明計(jì)算機(jī)的數(shù)十年里，隨著計(jì)算機(jī)功能日趨增大，性能日趨變強(qiáng)，內(nèi)部元器件也越來越多，指令集日趨復(fù)雜，過于冗雜的指令嚴(yán)重的影響了計(jì)算機(jī)的工作效率。后來經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)中，80％程序只用到了20％的指令集，基于這一發(fā)現(xiàn)，RISC精簡指令集被提了出來，這是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的一次深刻革命。RISC體系結(jié)構(gòu)的基本思路是：抓住CISC指令系統(tǒng)指令種類太多、指令格式不規(guī)范、尋址方式太多的缺點(diǎn)，通過減少指令種類、規(guī)范指令格式和簡化尋址方式，方便處理器內(nèi)部的并行處理，提高VLSI器件的使用效率，從而大幅度地提高處理器的性能。
RISC指令集有許多特征，其中最重要的有：
•指令種類少，指令格式規(guī)范：RISC指令集通常只使用一種或少數(shù)幾種格式。指令長度單一（一般4個(gè)字節(jié)），并且在字邊界上對(duì)齊，字段位置、特別是操作碼的位置是固定的。
•尋址方式簡化：幾乎所有指令都使用寄存器尋址方式，尋址方式總數(shù)一般不超過5個(gè)。其他更為復(fù)雜的尋址方式，如間接尋址等則由軟件利用簡單的尋址方式來合成。
•大量利用寄存器間操作：RISC指令集中大多數(shù)操作都是寄存器到寄存器操作，只以簡單的Load和Store操作訪問內(nèi)存。因此，每條指令中訪問的內(nèi)存地址不會(huì)超過1個(gè)，訪問內(nèi)存的操作不會(huì)與算術(shù)操作混在一起。
•簡化處理器結(jié)構(gòu)：使用RISC指令集，可以大大簡化處理器的控制器和其他功能單元的設(shè)計(jì)，不必使用大量專用寄存器，特別是允許以硬件線路來實(shí)現(xiàn)指令操作，而不必像CISC處理器那樣使用微程序來實(shí)現(xiàn)指令操作。因此RISC處理器不必像CISC處理器那樣設(shè)置微程序控制存儲(chǔ)器，就能夠快速地直接執(zhí)行指令。
•便于使用VLSI技術(shù)：隨著LSI和VLSI技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)處理器（甚至多個(gè)處理器）都可以放在一個(gè)芯片上。RISC體系結(jié)構(gòu)可以給設(shè)計(jì)單芯片處理器帶來很多好處，有利于提高性能，簡化VLSI芯片的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)?；赩LSI技術(shù)，制造RISC處理器要比CISC處理器工作量小得多，成本也低得多。
•加強(qiáng)了處理器并行能力：RISC指令集能夠非常有效地適合于采用流水線、超流水線和超標(biāo)量技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)指令級(jí)并行操作，提高處理器的性能。目前常用的處理器內(nèi)部并行操作技術(shù)基本上是基于RISC體系結(jié)構(gòu)發(fā)展和走向成熟的。
正由于RISC體系所具有的優(yōu)勢(shì)，它在高端系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，而CISC體系則在桌面系統(tǒng)中占據(jù)統(tǒng)治地位。而在如今，在桌面領(lǐng)域，RISC也不斷滲透，預(yù)計(jì)未來，RISC將要一統(tǒng)江湖。
2、CPU的擴(kuò)展指令集
對(duì)于CPU來說，在基本功能方面，它們的差別并不太大，基本的指令集也都差不多，但是許多廠家為了提升某一方面性能，又開發(fā)了擴(kuò)展指令集，擴(kuò)展指令集定義了新的數(shù)據(jù)和指令，能夠大大提高某方面數(shù)據(jù)處理能力，但必需要有軟件支持。
•MMX 指令集
MMX（Multi Media eXtension，多媒體擴(kuò)展指令集）指令集是Intel公司于1996年推出的一項(xiàng)多媒體指令增強(qiáng)技術(shù)。MMX指令集中包括有57條多媒體指令，通過這些指令可以一次處理多個(gè)數(shù)據(jù)，在處理結(jié)果超過實(shí)際處理能力的時(shí)候也能進(jìn)行正常處理，這樣在軟件的配合下，就可以得到更高的性能。MMX的益處在于，當(dāng)時(shí)存在的操作系統(tǒng)不必為此而做出任何修改便可以輕松地執(zhí)行MMX程序。但是，問題也比較明顯，那就是MMX指令集與x87浮點(diǎn)運(yùn)算指令不能夠同時(shí)執(zhí)行，必須做密集式的交錯(cuò)切換才可以正常執(zhí)行，這種情況就勢(shì)必造成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的下降。
•SSE指令集
SSE（Streaming SIMD Extensions，單指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展）指令集是Intel在Pentium III處理器中率先推出的。其實(shí)，早在PIII正式推出之前，Intel公司就曾經(jīng)通過各種渠道公布過所謂的KNI（Katmai New Instruction）指令集，這個(gè)指令集也就是SSE指令集的前身，并一度被很多傳媒稱之為MMX指令集的下一個(gè)版本，即MMX2指令集。究其背景，原來"KNI"指令集是Intel公司最早為其下一代芯片命名的指令集名稱，而所謂的"MMX2"則完全是硬件評(píng)論家們和媒體憑感覺和印象對(duì)"KNI"的 評(píng)價(jià)，Intel公司從未正式發(fā)布過關(guān)于MMX2的消息。
而最終推出的SSE指令集也就是所謂勝出的"互聯(lián)網(wǎng)SSE"指令集。SSE指令集包括了70條指令，其中包含提高3D圖形運(yùn)算效率的50條SIMD（單指令多數(shù)據(jù)技術(shù)）浮點(diǎn)運(yùn)算指令、12條MMX 整數(shù)運(yùn)算增強(qiáng)指令、8條優(yōu)化內(nèi)存中連續(xù)數(shù)據(jù)塊傳輸指令。理論上這些指令對(duì)目前流行的圖像處理、浮點(diǎn)運(yùn)算、3D運(yùn)算、視頻處理、音頻處理等諸多多媒體應(yīng)用起到全面強(qiáng)化的作用。SSE指令與3DNow!指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow!技術(shù)的絕大部分功能，只是實(shí)現(xiàn)的方法不同。SSE兼容MMX指令，它可以通過SIMD和單時(shí)鐘周期并行處理多個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)來有效地提高浮點(diǎn)運(yùn)算速度。
SSE2指令集
SSE2(Streaming SIMD Extensions 2，Intel官方稱為SIMD 流技術(shù)擴(kuò)展 2或數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展指令集 2)指令集是Intel公司在SSE指令集的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。相比于SSE，SSE2使用了144個(gè)新增指令，擴(kuò)展了MMX技術(shù)和SSE技術(shù)，這些指令提高了廣大應(yīng)用程序的運(yùn)行性能。隨MMX技術(shù)引進(jìn)的SIMD整數(shù)指令從64位擴(kuò)展到了128 位，使SIMD整數(shù)類型操作的有效執(zhí)行率成倍提高。雙倍精度浮點(diǎn)SIMD指令允許以 SIMD格式同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)浮點(diǎn)操作，提供雙倍精度操作支持有助于加速內(nèi)容創(chuàng)建、財(cái)務(wù)、工程和科學(xué)應(yīng)用。除SSE2指令之外，最初的SSE指令也得到增強(qiáng)，通過支持多種數(shù)據(jù)類型(例如，雙字和四字)的算術(shù)運(yùn)算，支持靈活并且動(dòng)態(tài)范圍更廣的計(jì)算功能。SSE2指令可讓軟件開發(fā)員極其靈活的實(shí)施算法，并在運(yùn)行諸如MPEG-2、MP3、3D圖形等之類的軟件時(shí)增強(qiáng)性能。Intel是從Willamette核心的Pentium 4開始支持SSE2指令集的，而AMD則是從K8架構(gòu)的SledgeHammer核心的Opteron開始才支持SSE2指令集的。
SSE3指令集
SSE3(Streaming SIMD Extensions 3，Intel官方稱為SIMD 流技術(shù)擴(kuò)展 3或數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴(kuò)展指令集 3)指令集是Intel公司在SSE2指令集的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。相比于SSE2，SSE3在SSE2的基礎(chǔ)上又增加了13個(gè)額外的SIMD指令。SSE3 中13個(gè)新指令的主要目的是改進(jìn)線程同步和特定應(yīng)用程序領(lǐng)域，例如媒體和游戲。這些新增指令強(qiáng)化了處理器在浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換至整數(shù)、復(fù)雜算法、視頻編碼、SIMD浮點(diǎn)寄存器操作以及線程同步等五個(gè)方面的表現(xiàn)，最終達(dá)到提升多媒體和游戲性能的目的。Intel是從Prescott核心的Pentium 4開始支持SSE3指令集的，而AMD則是從2005年下半年Troy核心的Opteron開始才支持SSE3的。但是需要注意的是，AMD所支持的SSE3與Intel的SSE3并不完全相同，主要是刪除了針對(duì)Intel超線程技術(shù)優(yōu)化的部分指令。
•3D Now!(3D no waiting)指令集
3DNow！是AMD公司開發(fā)的SIMD指令集，可以增強(qiáng)浮點(diǎn)和多媒體運(yùn)算的速度，并被AMD廣泛應(yīng)用于其K6-2 、K6-3以及Athlon（K7）處理器上。3DNow!指令集技術(shù)其實(shí)就是21條機(jī)器碼的擴(kuò)展指令集。
與Intel公司的MMX技術(shù)側(cè)重于整數(shù)運(yùn)算有所不同，3DNow!指令集主要針對(duì)三維建模、坐標(biāo)變換 和效果渲染等三維應(yīng)用場合，在軟件的配合下，可以大幅度提高3D處理性能。后來在Athlon上開發(fā)了Enhanced 3DNow!。這些AMD標(biāo)準(zhǔn)的SIMD指令和Intel的SSE具有相同效能。因?yàn)槭艿絀ntel在商業(yè)上以及Pentium III成功的影響，軟件在支持SSE上比起3DNow!更為普遍。Enhanced 3DNow!AMD公司繼續(xù)增加至52個(gè)指令，包含了一些SSE碼，因而在針對(duì)SSE做最佳化的軟件中能獲得更好的效能。
