E X P
正努力加载中…
  • 编辑
  • 评论
  • 标题
  • 链接
  • 查错
  • 图文
  • 拼 命 加 载 中 ...

      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“left unchanged”,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周期内实现256位的乘、加和Shuffle运算。

      使用新的256位寄存器来提升数据I/O效率,更好的标记、传播载入的数据,动态的改变数据序列,以此来组织、访问和载入运算所需的数据,速度更快效率更高。


    AVX增加了很多新的浮点运算指令

      AVX还引入了很多新的浮点运算指令,浮点运算能力加强,不光提升了3D游戏,还可以更有效的支持如复杂的flash显示,更快的SVG(可伸缩矢量图形)支持,更好的HTML5效果等等,相比用GPU计算来讲功耗更小,体积更小,成本也小,对GPU计算是个不大不小的冲击。

    支持3操作数和4操作数

      通常一条计算机指令包括有操作码和操作数(operands),操作码决定要完成的操作,操作数指参加运算的数据及其所在的单元地址。比如movaps xmm1, xmm0就是一个双操作数,SSE指令movaps为操作码,其功能是将xmm0寄存器的内容复制给xmm1。


    新的3操作数和4操作数格式

      AVX指令集改进和加强了原有的在3个操作数指令的编码和语法,使之更灵活。比如要实现 xmm10 = xmm9 + xmm1 的功能,以前需要两个指令执行:

        movapps xmm10, xmm9       将xmm9寄存器数据copy到xmm10
     
       addpd xmm10, xmm1        将xmm1和xmm10寄存器数据相加,并存放到xmm10

      应用AVX指令集新的3操作数方式,可以直接由一条指令就能完成:

        vaddpd xmm10, xmm9, xmm1

      显然AVX三操作数能带来更少的寄存器复制,并且代码也更精简

      4操作数虽然是AMD在SSE5中首先提出的,但英特尔的AVX也能支持这一方式,其最终收益是对AVX 128和AVX 256使用非破坏性语法,减少寄存器间的拷贝,精简代码,增加load/op fusion的机会。

        movaps xmm0, xmm4
        movaps xmm1, xmm2
        blendvps xmm1, m128

      比如上面的三条指令,利用4操作数,可以不需要使用隐含的xmm0,直接由下面一条指令完成:

        vblendvps xmm1, xmm2, m128, xmm4

    支持灵活的不对齐内存地址访问

      CPU在工作时只能按照内部数据位宽长度(比如说32bit)的整倍数为边界进行内存操作,即只能从地址0、32、64、96...处进行存取,而不能从27、58、83等非边界地址处进行。如果一定要取这些非边界地址处的内容,则必须用若干个操作将其凑出来,因而大大影响存取效率。

      一个结构体的设计长度却并不一定是32的倍数,例如一个六个字符的结构其长度为48位,如果多个这样的结构在内存中顺着摆放,则许多结构的起始地址将不在边界处,因此编译程序总是会将每个结构的尾部都加入一些必要的空白,将其凑成32的整数倍,这就是边界对齐的基本道理。

      传统的指令中,当访问不对齐内存(unaligned memory access)时,需要相当大的访问周期,甚至会有惩罚性延时,极大地降低速度。

      而在AVX指令集中,以VEX前缀编码的算术指令和内存访问指令在访问内存时更灵活,既可访问对齐的内存地址,也可访问未对齐的数据。当然访问未对齐数据,多少都会有损失,但相对传统的指令来说,所承受的惩罚要小得多。

    革新的VEX指令编码方式

      英特尔在2008年春天的IDF上介绍AVX的时候就表示AVX的重点在于采用了称为“VEX (Vector Extension)”革新的指令编码方式。


    VEX编码指令解决方案

      x86指令集容易扩张,但是每次对于新指令和新数据类型的增加,都会在操作码(opcode)之前增加了一个字节的前缀(prefix),从而实现对扩展的支持。这样的就带来指令集的复杂化和命令长度增加,从而导致二进制的冗余和增加CPU命令解码硬件的复杂性。

      VEX编码方式解决了这个问题,VEX的构想,就是压缩prefix中包含的信息,在1个字节的payload中全部包括了prefix的内容,这样缩短指令长度,从而极大地降低了无谓的code size浪费。并且在今后导入的新的寄存器中,128bits或更长的256bits的数据,也将在payload中压缩。


    Intel AVX vs. AMD XOP(图片来源后藤弘茂)

      VEX prefix分为2个字节和3个字节的版本,即前缀部分使用C4h和C5h。AMD的XOP指令集采用了类似的方式,XOP前缀字节改成了8Fh,虽然前缀不同,但是payload部分的格式与VEX是相同的。AVX的VEX的编码系统,也反应了英特尔处理器今后的进化趋势,它解决了x86系列CPU在解码能力上的不足。

    AVX是Sandy Bridge最重要的改进


    AVX相对SSE带来的处理速度提升

      英特尔AVX指令集将矢量处理能力提升到256bit,理论上可以让CPU的浮点性能最大提升两倍,而且革新的VEX编码方式也突破x86在解码方面的瓶颈,非常值得期待。

      由于AMD的SSE5和AVX指令集功能类似,并且AVX包含更多的优秀特性,虽然SSE5是要早于AVX宣布的,但在去年AMD还是决定支持AVX,避免让开发者徒增开发难度。同时AMD改写SSE5,重定义为XOP、CVT16和FMA4指令集。AMD有关人员甚至暗示由于受到了AVX指令集影响,Bulldozer的计划从2010年延迟到了2011年。

      AVX作为Sandy Bridge处理器最重要的改进,在几天后将闪亮登场,除硬件支持外,软件上的支持也是必不可少的,所幸的是Windows 7 SP1已经开始支持英特尔AVX指令集了。

    ×
    热门文章
    1为了给处理器降降温,发烧友打磨出了世界上最平坦的CPU
    2锐龙9 3900性能测试,极高的能耗比表现
    3腾讯音乐、网易云音乐和环球音乐达成战略合作
    4为了赶iPhone 12的量产,富士康推出9000元内推计划
    5AMD代号为Cezanne的下一代APU跑分首曝,核显仍然基于Vega
    6Intel预告Raja Koduri在Hot Chips上的演讲:将着重阐述软硬件共同设计理念
    7传闻Apple Pencil的延迟将降低到3ms,这让三星平板最新的升级显得黯然失色
    8在SBC上剪视频、3D建模?Raspberry Pi“生产力”软件体验
    9英特尔和联发科抱团:一起开发5G PC市场,预计明年初上市5G笔记本
    已有 6 条评论,每一条合规评论都是对我们的褒奖。
    • 游客 2014-11-17 19:01

      我只想搞不懂英文,要是中文就好了。

      支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      6#

    • 游客 2011-01-02 11:21

      该评论因举报过多,自动进入审核状态。

      5#

    • 游客 2011-01-01 20:08

      SB进步很厉害,要是intel有完整的GPU技术,AMD不用活了.....

      支持(24)  |   反对(1)  |   举报  |   回复

      4#

    • AceHighGamer研究生 2010-12-31 18:34  加入黑名单

      2400k购入预定\(^o^)/~

      支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      3#

    • 游客 2010-12-31 13:46

      Intel给刘翔广告费没有?

      支持(3)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      2#

    • jasonzzh教授 2010-12-31 12:41  加入黑名单

      刘翔的配图很给力。哈

      支持(0)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      1#

    我来评论
    为你推荐